Gespannter Germanium: Ein Durchbruch für Quanten‑Chips

Von Silizium zurück zu Germanium

Siliziumbasierte Halbleiter stoßen zunehmend an mehrere technische Grenzen. Nicht nur werden die Transistoren in den fortschrittlichsten Chips aus lediglich wenigen Atomen gefertigt, sondern die physikalischen Eigenschaften der Siliziumatome selbst werden zu einer Einschränkung, die für weitere Verbesserungen nicht überwunden werden kann.

Dies gilt besonders für die fortschrittlichsten Formen des Rechnens, wie Spintronik und Quantencomputing.

Infolgedessen wenden sich Forscher und Halbleiterunternehmen anderen Metallen und Elementen zu, um neue potenzielle Designs zu finden.

Ein besonders interessantes Material ist Germanium, das wieder an Beliebtheit gewinnt. In den 1950er Jahren wurde es in den frühesten Transistoren verwendet, wurde jedoch zunächst durch Silizium ersetzt, weil Produktionskosten und Fertigungsfreundlichkeit dafür sprachen.

Heute wird Germanium, das für Elektronik und Infrarotoptik – einschließlich Sensoren auf Raketen und Verteidigungssatelliten – von entscheidender Bedeutung ist, hauptsächlich aus Zink- und Molybdänminen gewonnen.

Es könnte auch für andere Anwendungen genutzt werden; zum Beispiel könnten magnetische Eisen‑Germanium‑Kristalle einzigartige Strukturen bilden, die zur Herstellung von Supraleitern verwendet werden könnten. Filme, die ausschließlich aus Germanium bestehen, könnten ebenfalls supraleitend sein.

Aber Germanium besitzt auch einzigartige physikalische Eigenschaften, die es in bestimmten Fällen zu einem potenziellen Ersatz für Silizium‑Halbleiter machen.

Forscher der University of Warwick und des National Research Council of Canada stellten fest, dass Germanium in einigen Aspekten mehr als 15.000‑mal besser als Silizium sein kann. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Materials Today unter dem Titel „Hole mobility in compressively strained germanium on silicon exceeds 7 × 106 cm2V-1s−1“.

Bewegung von Löchern, nicht von Elektronen

Bei Elektronik und Halbleitern kann die exakte atomare Struktur eines Materials ebenso wichtig sein wie die Elemente, aus denen es besteht.

Dies gilt auch für Germanium. Die Forscher erzeugten eine nanometerdünne Germaniumschicht, die kompressiv gespannt und auf Silizium gezüchtet wurde.

Die Idee ist, den Transport elektrischer Ladungen mithilfe von „hochmobilen Löchern“ zu optimieren, anstatt der üblichen Bewegung von Elektronen.

In diesem Fall messen wir, anstatt dass Elektronen sich bewegen und Informationen tragen, die Eigenschaft, die angibt, wie leicht positive Ladungsträger („Löcher“, also fehlende Elektronen) sich unter einem elektrischen Feld durch ein Material bewegen.

Im Vergleich zur traditionellen Elektronenbewegung weist die Löcher‑Mobilität überlegene „starke Spin‑Orbit‑Kopplung, unterdrückte Hyperfeinwechselwirkung und effiziente rein elektrische Spin‑Steuerung“ auf.

In weniger technischer Sprache bedeutet das, dass diese Eigenschaft ideal für die Codierung von Informationen in spintronischen und Quanten‑Computingsystemen ist.

Bis jetzt waren Materialien mit hoher Löcher‑Mobilität jedoch zu anfällig für Umgebungsstörungen, um für das praktische Computing nutzbar zu sein. Verunreinigungen und schwierige Fertigung erschwerten diese Idee zusätzlich.

Komprimiertes Germanium

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Eine neue Produktionstechnik, die kompressive Spannung genannt wird, ist kürzlich aufgetaucht und verändert die Kristallstruktur von Halbleitermaterialien, was die Elektronenenergieniveaus und den Ladungstransport beeinflusst.

Mit dieser Methode gelang es den Forschern, eine dünne Schicht komprimierten Germaniums auf eine Siliziumschicht aufzubringen, die eine Löcher‑Mobilität von 7,15 Millionen cm² pro Volt‑Sekunde zeigte (im Vergleich zu ~450 cm² pro Volt‑Sekunde in industriellem Silizium).

Dies stellt eine exponentielle Verbesserung gegenüber germanium‑basierten Elektronikkomponenten für diese Kennzahl dar.

Quelle: Materials Today

„Dies setzt einen neuen Maßstab für den Ladungstransport in Gruppe‑IV‑Halbleitern – den Materialien, die im Zentrum der globalen Elektronikindustrie stehen.

Es eröffnet die Möglichkeit zu schnelleren, energieeffizienteren Elektronik‑ und Quantengeräten, die vollständig mit der bestehenden Siliziumtechnologie kompatibel sind.

Dr. Sergei Studenikin – Principal Research Officer, National Research Council of Canada

Wie gespanntes Germanium Quanten‑ und energieeffiziente Chips antreiben könnte

Diese neue cs‑GoS‑Plattform ist von Natur aus mit CMOS‑Technologie (Complementary Metal‑Oxide‑Semiconductor) kompatibel, einem Grundpfeiler der Halbleiterfertigung, der für Sensoren, stromsparende Schaltungen und PC‑Speicher verwendet wird.

Sie kann zudem auf eine Wafer‑große Schicht skaliert werden, wodurch sie direkt auf aktuelle Halbleiterfertigungsverfahren anwendbar ist.

„Traditionelle Hochmobilitäts‑Halbleiter wie Galliumarsenid (GaAs) sind sehr teuer und unmöglich in die gängige Siliziumfertigung zu integrieren.“

Dr. Sergei Studenikin – Principal Research Officer, National Research Council of Canada

Sie eröffnet die Möglichkeit, die Löcher‑Mobilität in Quantencomputer‑Designs zu nutzen oder diese Art von germanium‑basierten Schaltungen in stromsparenden Chips und spintronischen Bauelementen zu integrieren.

Daher sollte die Umwandlung eines Labor‑Prototyps in einen funktionierenden, massenproduzierten Chip nicht so schwierig sein, wie es bei exotischeren Designs häufig der Fall ist.

Quelle: Materials Today

„Unser neues kompressiv gespannte Germanium‑auf‑Silizium (cs‑GoS) Quantenmaterial kombiniert weltweit führende Mobilität mit industrieller Skalierbarkeit – ein entscheidender Schritt hin zu praktischen Quanten‑ und klassischen großskaligen integrierten Schaltkreisen.“

Dr. Sergei Studenikin – Principal Research Officer, National Research Council of Canada

Investitionen in die Halbleiterfertigung

TSMC – Taiwan Semiconductor Manufacturing Company

Die Halbleiterproduktion ist eine Branche, die von einer Kombination aus sehr spezialisiertem und komplexem Fachwissen sowie dem Bedarf an Massenproduktion in großem Maßstab zur Kostensenkung dominiert wird.

Kein Unternehmen hat dieses Geschäftsmodell so erfolgreich gemeistert wie TSMC, das taiwanesische Unternehmen, das weltweit führend in der Herstellung ultra‑fortschrittlicher Chips ist.

TSMC produziert hauptsächlich Siliziumchips, einschließlich der leistungsstärksten 3‑nm- und 2‑nm‑Node‑Chips. Da es die fortschrittlichsten und teuersten Chips herstellt, kontrolliert es mehr als die Hälfte der globalen Einnahmen der Halbleiter‑Foundry‑Industrie.

Quelle: Eric Flaningam

TSMC entwickelt sich derzeit weiter, um Siliziumchips in den USA zu produzieren, insbesondere mit einer massiven Investition in seine neuen Fertigungsstätten in Arizona.

Dennoch ist TSMC auch Experte für fortschrittliche germaniumbasierte Transistoren und andere Halbleiter.

Während das Unternehmen also hauptsächlich seinen aktuellen Gewinn aus fortschrittlichen Chips und der Fertigung von KI‑Hardware für Unternehmen wie Nvidia (NVDA ) erzielt, könnte es auch einer der Hauptprofiteure der Entdeckung sein, dass gängige Halbleiterfertigungsverfahren Hochleistungschips, einschließlich solcher mit Germanium, produzieren können.

(Sie können auch lesen Sie mehr über die Geschichte und das Geschäft von TSM in unserem Investitionsbericht gewidmet dem Unternehmen.)

Neueste TSMC (TSM) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Studie zitiert:

^{1. Myronov, M., Bogan, A., & Studenikin, S. (2025). Hole mobility in compressively strained germanium on silicon exceeds 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹. Materials Today, 90, 314–321. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.004}