شريحة الجرمانيوم الجديدة تُحدد الطريق إلى ما بعد السيلكون في الحواسيب

قد يكون الجرمانيوم Germanium المادة العظيمة القادمة لتشكيل الشرائح بعدما توصلنا إلى حدود السيلكون.

تُظهر أول دارة إلكترونية معقدة مصنوعة من الجرمانيوم، كبديل واعد للسيلكون، الطريق الذي يجب أن تسلكه صناعات الحواسيب للاستمرار بالتطور إلى أماكن أبعد من الحدود الفيزيائية التي تم التوصل إليها الآن. أعلن الباحثون من جامعة باردو Purdue عن الدارة في هذا الأسبوع في المؤتمر العالمي للأجهزة الإلكترونية في مدينة سان فرانسيسكو.

سيكون التحول من السيلكون إلى الجرمانيوم أمراً مضحكاً بعض الشيء، حيث كان أول ترانزيستور، الذي صُنع في مختبرات بيل Bell Labs عام 1947، مصنوعاً من لوح من الجرمانيوم، وهو عنصر يُرى تحت عنصر السيلكون في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية. تم تجريب الجرمانيوم لأن الشحنات تعبر من خلاله بشكلٍّ سريع، وهذه خاصية مهمة يحتاجها الترانزيستور. ولكن عندما كان المهندسون يبحثون عن طريق لصناعة الدارات المُتكاملة على مدى واسع، قاموا بالتخلي عن الجرمانيوم لأن العمل مع السيلكون أسهل بكثير.

اليوم، عندما واجه المصنعون مشاكل بتصغير شرائح السيلكون، قاموا بإعادة تجريب الجرمانيوم. يقترح Peide Ye المهندس من جامعة باردو، مع زملائه أن دارات الجرمانيوم التي قاموا بتجريبها قد تكون جاهزة لدخول السوق في غضون بضع سنوات.

يتم تصنيع أصغر ترانزيستورات بعرض يبلغ 14 نانو-متر، حيث يكونوا الترانزيستورات مكدسين بشكلٍّ فائق مع بعضهم البعض في الشريحة. وجد مصنعي أنصاف النواقل أن تصغير الشرائح أكثر من ذلك سيولد العديد من المشاكل. توقع Mark Bohr، من شركة انتل، في مؤتمر IEDM أن تصغير شرائح السيلكون سينتهي بعدة عشر سنوات تقريباً. “بشكلٍّ عام أنا فائق الحماسية لأي فكرة جديدة،” كما قال.

يتميز الجرمانيوم بخواص كهربائية فائقة، حيث أننا نستطيع صنع دارات أسرع بواسطته من الدارات الحالية المصنعة بالسيلكون. لكن فشل المهندسون في استخدامها لصنع دارات مصغرة تستطيع أن توفر الطاقة اعتماداً على تقنيات التصنيع الحالية، والتي تُعرف باسم تقنية CMOS.

تستخدم دارات CMOS ترانزيستورات تستطيع نقل الشحنات السالبة، التي تدعى nFETs، وترانزستورات تستطيع نقل الشحنات الموجبة، تُدعى pFETs.

“إن pFETs المُصنعة من الجرمانيوم رائعة،” يقول Krishna Saraswat، مهندس كهرباء من جامعة ستانفورد، لكن عناصر nFETs هي المُخيبة للآمال.  قام Ye بابتكار تصميم جديد لهذه العناصر وهذا ما حسّنَ من أدائها بشكل كبير.

كان Saraswat، على الرغم من عدم مشاركته في بحث Ye، من أعاد التفكير باستخدام الجرمانيوم، حيث في عام 2002 نشر أول ورقة بحثية تصف ترانزيستورات الجرمانيوم عالية الأداء، والتي كانت أفضل بمرتين وحتى ثلاث مرات من نظيرها السيلكوني. “لقد حققنا الأبحاث العلمية الأساسية، والآن نرى العمل على هندسة الأساس،” يقول Saraswat.

يوجد العديد من البدائل الأخرى، كأنابيب النانو الكربونية Carbon Nanotubes أو أنصاف النواقل المُركبة، التي تتألف من عدة مواد، فكلتاهما تُعتبر مواد واعدة لخلافة السيلكون، لكن سيكون من الصعب لمصنعي الشرائح على التعلم على استخدامها. وبشكلٍّ معاكس، يستخدم مصنعي الشرائح الجرمانيوم في عناصر pFETs السيلكونية. “من السهل التعامل مع عناصر أنصاف النواقل مثل السيلكون أو الجرمانيوم،” يقول Xiuling Li، مهندس في جامعة الينويس Illinios.

المصدر