Anstrengt germanium: Et gennembrud for kvantechips

Fra silicium tilbage til germanium

Siliciumbaserede halvledere når i stigende grad flere tekniske grænser. Ikke alene er transistorer i de mest avancerede chips lavet af blot et par atomer, men selve siliciumatomernes fysiske egenskaber er ved at blive en begrænsning, der ikke kan overvindes for yderligere forbedringer.

Dette gælder især for de mest avancerede former for databehandling, såsom spintronik og kvanteberegning.

Som følge heraf vender forskere og halvledervirksomheder sig mod andre metaller og grundstoffer for at finde nye potentielle designs.

Især germanium nyder fornyet popularitet. Det blev først brugt i 1950'erne i de tidligste transistorer, men blev i første omgang erstattet af silicium på grund af faktorer som produktionsomkostninger og nem fremstilling.

I dag produceres germanium, som er afgørende for elektronik og infrarød optik – herunder sensorer på missiler og forsvarssatellitter – hovedsageligt fra zink- og molybdænminer.

Det kan også bruges til andre formål, f.eks. magnetiske jern-germaniumkrystaller Dannelse af unikke strukturer kan bruges til at skabe superledere. Film lavet af germanium alene kunne også være superledende.

Men germanium har også unikke fysiske egenskaber, der gør det til en potentiel erstatning for siliciumhalvledere i specifikke tilfælde.

Forskere ved University of Warwick og National Research Council of Canada fandt ud af, at germanium kan være mere end 15,000 gange bedre end silicium i nogle henseender. De offentliggjorde deres resultater i Materials Today under titlen "Hulmobiliteten i kompressionsbelastet germanium på silicium overstiger 7 × 10⁶ cm²V-1s⁻¹".

Flytende huller, ikke elektroner

Når man beskæftiger sig med elektronik og halvledere, kan et materiales nøjagtige atomstruktur være lige så vigtig som de elementer, det er lavet af.

Dette er også tilfældet med germanium. Forskerne skabte et nanometertyndt germaniumlag, der er trykspændt og dyrket på silicium.

Ideen er at optimere transporten af ​​elektriske ladninger ved hjælp af "højmobilitetshuller" i stedet for den sædvanlige bevægelse af elektroner.

I dette tilfælde måler vi, i stedet for at elektroner bevæger sig og bærer information, den egenskab, der repræsenterer, hvor let positive ladningsbærere ("huller" eller manglende elektroner) bevæger sig gennem et materiale under et elektrisk felt.

Sammenlignet med traditionel elektronbevægelse har hulmobilitet overlegen “stærk spin-bane-kobling, undertrykt hyperfin interaktion og effektiv fuldelektrisk spinkontrol".

I et mindre teknisk sprog betyder det, at denne egenskab er perfekt til kodning af information i spintroniske og kvantecomputersystemer.

Men indtil nu har materialer med hulmobilitet været for sårbare over for forstyrrelser fra miljøet til at være nyttige til egentlig databehandling. Urenhed og vanskelig fremstilling hæmmede denne idé yderligere.

Komprimeret germanium

Stryg for at scrolle →

En ny produktionsmetode er for nylig dukket op, kaldet kompressionsbelastning, som ændrer halvledermaterialers krystalstruktur og påvirker elektronenerginiveauer og ladningstransport.

Ved hjælp af denne metode lykkedes det forskerne at skabe et tyndt lag komprimeret germanium oven på et lag silicium, som udviste en hulmobilitet på 7.15 millioner cm² pr. voltsekund (sammenlignet med ~450 cm² pr. voltsekund i industrielt silicium).

Dette repræsenterer en eksponentiel forbedring i forhold til germaniumbaseret elektronik for denne metrik.

Kilde: Materialer i dag

Fordi de elektriske ladninger kan bevæge sig betydeligt hurtigere (>15,000x) i dette materiale, åbner det døren for at skabe elektronik, der er meget hurtigere og meget mindre energikrævende.

"Dette sætter en ny standard for ladningstransport i gruppe IV-halvledere – materialerne i hjertet af den globale elektronikindustri."

Det åbner døren for hurtigere, mere energieffektiv elektronik og kvanteenheder, der er fuldt kompatible med eksisterende siliciumteknologi.”

Dr. Sergei Studenikin – ledende forskningsmedarbejder, Canadas nationale forskningsråd

Hvordan anstrengt germanium kunne drive kvante- og lavenergichips

Denne nye cs-GoS-platform er i sagens natur kompatibel med CMOS-teknologi (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), en fast bestanddel af halvlederproduktion, der bruges til sensorer, lavstrømskredsløb og PC-hukommelse.

Det kan også skaleres op til et wafer-størrelseslag, hvilket gør det direkte anvendeligt til nuværende halvlederfremstillingsmetoder.

"Traditionelle halvledere med høj mobilitet, såsom galliumarsenid (GaAs), er meget dyre og umulige at integrere med mainstream siliciumproduktion."

Dr. Sergei Studenikin – ledende forskningsmedarbejder, Canadas nationale forskningsråd

Det baner vejen for at bruge hulmobilitet i kvantecomputerdesign eller integrere denne type germaniumbaserede kredsløb i chips og spintroniske enheder med lavt energiforbrug.

Så konverteringen af ​​en laboratorieprototype til en fungerende masseproduceret chip burde ikke være så vanskelig, som det ofte er tilfældet for mere eksotiske designs.

Kilde: Materialer i dag

"Vores nye kompressionsbelastede germanium-på-silicium (cs-GoS) kvantemateriale kombinerer verdensførende mobilitet med industriel skalerbarhed – et vigtigt skridt mod praktiske kvante- og klassiske storskala integrerede kredsløb."

Dr. Sergei Studenikin – ledende forskningsmedarbejder, Canadas nationale forskningsråd

Investering i halvlederproduktion

TSMC – Taiwans halvlederproduktionsselskab

Halvlederproduktion er en industri domineret af kombinationen af ​​meget nichepræget og kompleks ekspertise og behovet for masseproduktion i stor skala for at reducere omkostningerne.

Intet firma har haft så stor succes med at mestre denne forretningsmodel som TSMC, det taiwanske firma, der er førende i verden inden for fremstilling af ultraavancerede chips.

TSMC producerer primært siliciumchips, herunder de kraftigste 3nm- og 2nm-nodechips. Og da de producerer de mest avancerede og dyre chips, kontrollerer de mere end halvdelen af ​​den globale omsætning i halvlederstøberiindustrien.

Kilde: Erik Flaningam

TSMC er i øjeblikket i gang med at udvikle sig for at begynde at producere siliciumchips i USA, især med en massiv investering i sine nye støberier i Arizona.

TSMC er dog også ekspert i avancerede germaniumbaserede transistorer og andre halvledere.

Så mens virksomheden primært driver sin nuværende profit fra avancerede chips og fremstilling af AI-hardware for virksomheder som Nvidia (NVDA ), det kunne også være en af ​​de største modtagere af opdagelsen af, at almindelige halvlederfremstillingsmetoder kan producere højtydende chips, herunder dem, der bruger germanium.

(Du kan også Læs mere om TSMs historie og forretning i vores investeringsrapport dedikeret til virksomheden.)

Seneste TSMC (TSM) aktienyheder og udviklinger

Undersøgelse refereret:

^{1. Myronov, M., Bogan, A., & Studenikin, S. (2025). Hulmobiliteten i kompressionsbelastet germanium på silicium overstiger 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹. Materialer i dag, 90, 314-321. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.004}