Германий берет реванш у кремния

В борьбе за транзистор победил германий

Американским ученым-материаловедам удалось создать двумерное (одноатомное) вещество на основе германия с включенными в него атомами водорода. Его назвали "германан". Опыты показали, что германан является отличным полупроводником, электричество через него проходит в разы быстрее, чем через кремний, и он весьма устойчив, не окисляется.

Сегодня уже многие забыли о том, что именно германий, а не кремний считался самым перспективным материалам для создания микроскопических транзисторов. Один из создателей знаменитой Кремниевой долины (у нас ее ошибочно называют Силиконовой), а также создатель современной полупроводниковой электроники физик Уильям Шокли получил Нобелевскую премию за биполярный транзистор, созданный именно из германия. Этому элементу пророчили большое будущее, но жизнь, как обычно, расставила все на свои места.

Когда инженеры начали активно экспериментировать с германиевыми транзисторами, выяснилось, что у данного элемента таблицы Менделеева под номером 32 имеется один существенный недостаток. Он достаточно быстро окисляется на воздухе, а получающийся оксид уже не обладает теми уникальными свойствами полупроводника, как чистый германий. Этот минус сразу же перекрыл все плюсы германиевых транзисторов — ведь полностью изолировать их от проникновения воздуха в условиях, по крайней мере, нашей планеты практически невозможно.

Запасы германия не редки в земной коре, его количество в пять раз превосходит серебро, однако германий очень сложно добывать, поскольку этот элемент почти не образует собственные минералы. Обычно он встречается в виде примеси к полиметаллическим, вольфрамовым или никелевым рудам, а также как добавка в силикатах. Оттуда германий выделяют в виде оксида, который после восстанавливают водородом при температуре в 600 градусов. А это, как вы понимаете, весьма дорогостоящий процесс — недаром сейчас цена за один килограмм германия равняется 1200 долларов США.

Именно поэтому ученые из Кремниевой долины решили отказаться от германиевых транзисторов и использовать в электронике его родственника — кремний. И хотя скорость электронов в кремниевых транзисторах была в пять раз ниже, чем в германиевых, устойчивость этого элемента на воздухе и его дешевизна оказались решающими — полупроводниковые приборы из кремния завоевали весь мир.

Читайте также: Графен не оставит террористам шансов

Впрочем, работы по использованию германия не прекратились, ведь кроме транзисторов этот элемент присутствует во многих приборах, например, в детекторных диодах. И все это время ученые пытались разными способами уменьшить способность материалов из данного элемента окислятся на воздухе, то есть повысить их устойчивость. И вот недавно группе материаловедов из Университета штата Огайо (США), которую возглавляет доктор Джошуа Голдбергер, удалось это сделать.

В результате серии экспериментов ученые создали значительный по размерам двумерный (то есть одноатомный в толщину) образец вещества на основе германия. Подобное уже создавалось на основе многих веществ, например, углерода — его двумерная модификация называется графан (гидрированный графен, в котором каждый атом углерода связан дополнительно с атомом водорода). Водород имеется и в похожем новом веществе на основе германия, поэтому разработчики назвали его германаном (по аналогии с графаном).

Для того, чтобы получить это вещество, исследователи применили нестандартную методику. Обычный германий состоит из многослойных кристаллов, в которых отдельные атомарные слои нестабильны, то есть они могут смещаться друг относительно друга. И для того, чтобы получить устойчивый слой из германия ученые группы Голдбергера вырастили кристаллы этого элемента с включениями из атомов кальция. Когда формирование кристаллов закончилось, кальций был растворен в воде, а на освободившиеся места ученые внедрили атомы водорода. Именно это и позволило без всяких проблем отделить от исходного кристалла одноатомные слои.

После того, как германан был получен, ученые-материаловеды изучили его физические и химические свойства. Выяснилось, что включенный в его состав водород придал материалу стабильность — германан совсем не окисляется на воздухе. Но самый большой сюрприз ожидал исследователей, когда они измерили электронную проводимость нового вещества — выяснилось, что скорость движения электронов в германане в пять раз выше, чем в чистом германии, и в десять раз — чем в кремнии!

Это, как вы понимаете, моментально сделало германан одним из самых перспективных материалов для полупроводниковой электроники будущего. Дело в том, что сейчас при тенденции миниатюризации транзисторов скорость перемещения электрона в полупроводнике играет значительную роль — ведь при малых размерах транзистора и медленном электроне эффективность работы устройства существенно снижается. Таким образом, у германия появился шанс взять реванш у кремния и вытеснить его из современной компьютерной сферы и других высокотехнологических отраслей.

Кроме того, ученые выяснили, что германан, в отличие от кремния, является прямопереходным полупроводником, то есть в нем электрон при переходе из зоны проводимости в валентную зону не теряет свой импульс. А это значит, что при этом может испускаться фотон (чего не происходит в кремнии). Подобное свойство делает перспективным использование германана в оптоэлектронике — приборах, где происходит преобразование электромагнитного излучения оптического диапазона в электрический ток и обратно (фототранзисторы, фоторезисторы и т. п).

Итак, наука внесла свои коррективы — оказалось, что время владычества кремния в электронике не бесконечно, а полупроводники на основе германия рано было сбрасывать со счетов. Ученые в очередной раз подтвердили и тот факт, что старые разработки забывать не следует — они могут служить источниками новых идей. Это случилось и с германиевыми транзисторами, которые в новом качестве опять возвращаются на рынок электроники…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"