Elektronik bileşenlerin boyutu küçüldükçe üretim karmaşıklığı artıyor; bu da çip endüstrisinin yıllardır yakasını bırakmayan temel bir darboğaza dönüşmüş durumda. TU Wien (Viyana) araştırmacıları, JKU Linz ve Bergakademie Freiberg işbirliğiyle, gelecekte daha küçük ölçeklere inmenin yanı sıra daha hızlı, daha az enerji tüketen ve kuantum çipleri için gerekli çok düşük sıcaklıklarda çalışabilen alternatif bir yaklaşım geliştirerek ilk kez bir silikon-germanyum (SiGe) transistör üretti.
NANO ÖLÇEK ENGELİ
Klasik mikroelektronik, silisyum veya germanyum gibi yarı iletkenlere yabancı atom eklenmesi (doping) ilkesine dayanıyor. Bu işlem, yük taşıyıcılarının hareketliliğini ve malzemenin iletkenliğini ayarlayarak devrelerin istenen biçimde çalışmasını sağlıyor. Ancak nanometre ölçeğinde bileşenlere inildikçe rastgele dağılan katkı atomlarının dalgalanmaları büyütülmüş bir etki yaratıyor.
Milyonlarca, hatta milyarlarca transistörün birbirine bağlandığı modern yongalarda güvenilirlik ve tekrarlanabilirlik ciddi şekilde zorlaşıyor. Sıcaklık hassasiyeti de kritik bir başka sınıra dönüşüyor: Aşırı ısınma kadar, aşırı soğukta taşıyıcı “donması” da performansı keskin biçimde düşürüyor.
KUANTUM İÇİN EŞİK
Bu tablo kuantum bilgisayar uygulamalarında daha da sertleşiyor. Kuantum bitleri (kübitler) genellikle neredeyse mutlak sıfıra kadar soğutuluyor; kontrol ve okuma için gereken klasik transistörler de aynı ultra düşük sıcaklık rejiminde çalışmak zorunda kalıyor. Geleneksel doping, bu koşullarda taşıyıcıların hareketliliği azaldığı için sık sık yetersiz kalıyor.
TEKNOLOJİK KIRILMA NOKTASI
TU Wien Nanoelektronik Bileşenler Grubu’nun başındaki Prof. Walter Weber, çözümü ‘modülasyon alıcı katkılama’ (MAD) yöntemiyle tanımlıyor. Bu yaklaşımda katkı atomları yarı iletken kristalin içine değil, onu yalıtan oksit tabakasına yerleştiriliyor.
Böylece oksitteki yük merkezleri, yarı iletken içinde doğrudan atomik bozulma yaratmadan, ‘uzaktan kuplaj' yoluyla iletkenliği artırıyor. Etki, bir mıknatısın temas etmeden çevresindeki malzemeleri etkilemesine benzetiliyor; oksit tabakasındaki düzenleme, yarı iletken gövdede hedeflenen elektriksel yanıtı doğuruyor.
SANAYİ ODAKLI İLERLEME
MAD üzerine daha önce Grup III–V bileşik yarı iletkenler ve silisyum ile deneyler yapılmıştı. Ancak TU Wien, Bergakademie Freiberg ve JKU Linz üçlüsü, bu etkiyi silikon-germanyum (SiGe) üzerinde başarıyla gösteren ve bu yolla çalışır bir SiGe transistörü üreten ilk ekip oldu.
Bu adım sanayi açısından özellikle önemli; zira sektör daha yüksek Ge içeriğiyle daha hızlı anahtarlama ve daha düşük güç hedeflerine yöneliyor. Aynı zamanda kuantum yongalarında bilgi işleme daha hızlı ve daha az enerji kaybıyla mümkün olabilecek.
4000 KAT İLETKENLİK
Ekip, ölçümlerin son derece umut verici olduğunu vurguluyor: MAD teknolojisi, karşılaştırmalı deneylerde yaklaşık 4000 kat daha yüksek iletkenlik, belirgin biçimde iyileştirilmiş açma (turn-on) davranışı ve daha düşük enerji tüketimi sergiliyor. Bu performans çerçevesi, yeni nesil çok yönlü nanotransistörlerin önünü açacak nitelikte.
KUANTUM UYUMLU ÇALIŞMA
Klasik dopingle üretilen transistörlerde ultra düşük sıcaklıklarda görülen taşıyıcı donması fenomeni, MAD yaklaşımında oksit katkısının etkisi sayesinde bastırılıyor. Bu sayede transistör, kuantum sistemlerine yakın konumlanan kontrol-okuma elektroniği için işlevsel kalabiliyor. Araştırma ekibi, oksit tabakası dopingi ile ekstrem soğuk koşullarda dahi etkin iletim kanalı oluşturulabildiğini vurguluyor.
SÜRDÜRÜLEBİLİR ÖLÇEKLENEBİLİRLİK
SiGe üzerinde MAD tabanlı transistörün gösterilmesi, endüstriyel yol haritaları ile güçlü bir hizalanma sunuyor. Sektörün Ge oranını artırma stratejisiyle birleştiğinde, yöntem daha küçük düğüm boyutlarına geçişte kararlılık ve tekrarlanabilirlik avantajı sağlıyor; CFD-E-PPA üçgeninde (maliyet, hız, güç) dengeli iyileştirme olanağı yaratıyor. Aynı zamanda kuantum yongalarında klasik-kuantum yakın entegrasyon ihtiyacını karşılamaya yönelik somut bir teknoloji köprüsü sunuyor.
