Verspanntes Germanium: Ein Durchbruch für Quantenchips

Von Silizium zurück zu Germanium

Siliziumbasierte Halbleiter stoßen zunehmend an mehrere technische Grenzen. Nicht nur bestehen die Transistoren in den modernsten Chips nur aus wenigen Atomen, sondern die physikalischen Eigenschaften von Siliziumatomen selbst stellen eine unüberwindbare Grenze für weitere Verbesserungen dar.

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

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

Ein Element, insbesondere Germanium, erfreut sich derzeit wieder wachsender Beliebtheit. Es wurde erstmals in den 1950er Jahren in den ersten Transistoren verwendet und zunächst aufgrund von Faktoren wie Produktionskosten und einfacherer Herstellung durch Silizium ersetzt.

Germanium, das für die Elektronik und Infrarotoptik – einschließlich Sensoren auf Raketen und Verteidigungssatelliten – unerlässlich ist, wird heute hauptsächlich aus Zink- und Molybdänminen gewonnen.

Es könnte auch für andere Anwendungen genutzt werden; zum Beispiel magnetische Eisen-Germanium-Kristalle Die Bildung einzigartiger Strukturen könnte zur Herstellung von Supraleitern genutzt werden. Auch Filme, die ausschließlich aus Germanium bestehen, könnten supraleitend sein.

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

Forscher der Universität Warwick und des Nationalen Forschungsrats von Kanada haben herausgefunden, dass Germanium in mancher Hinsicht mehr als 15,000-mal besser sein kann als Silizium. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Materials Today unter dem Titel „Die Lochmobilität in druckverspanntem Germanium auf Silizium übersteigt 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹".

Bewegte Löcher, nicht Elektronen

Bei Elektronik und Halbleitern kann die genaue Atomstruktur eines Materials genauso wichtig sein wie die Elemente, aus denen es besteht.

Dies trifft auch auf Germanium zu. Die Forscher stellten eine nanometerdünne Germaniumschicht her, die unter Druckspannung steht und auf Silizium aufgebracht wurde.

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

In diesem Fall messen wir nicht die Bewegung von Elektronen und den damit verbundenen Informationstransport, sondern die Eigenschaft, die angibt, wie leicht sich positive Ladungsträger („Löcher“ oder fehlende Elektronen) unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes durch ein Material bewegen.

Im Vergleich zur herkömmlichen Elektronenbewegung weist die Lochmobilität eine überlegene Mobilität auf.starke Spin-Bahn-Kopplung, unterdrückte Hyperfeinwechselwirkung und effiziente rein elektrische Spinsteuerung".

In weniger technischen Worten bedeutet dies, dass diese Eigenschaft perfekt geeignet ist, um Informationen in spintronischen und Quantencomputersystemen zu kodieren.

Bislang waren Materialien mit Lochmobilität jedoch zu anfällig für Umwelteinflüsse, um für die tatsächliche Computeranwendung geeignet zu sein. Verunreinigungen und die schwierige Herstellung erschwerten diese Entwicklung zusätzlich.

Komprimiertes Germanium

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Kürzlich hat sich eine neue Produktionsmethode herausgebildet, die als Druckverformung bezeichnet wird und die Kristallstruktur von Halbleitermaterialien verändert, wodurch die Elektronenenergieniveaus und der Ladungstransport beeinflusst werden.

Mithilfe dieser Methode gelang es den Forschern, eine dünne Schicht aus komprimiertem Germanium auf einer Siliziumschicht herzustellen, die eine Lochmobilität von 7.15 Millionen cm⁻² aufwies.² pro Voltsekunde (verglichen mit ~450 cm)² pro Voltsekunde in industriellem Silizium).

Dies stellt in Bezug auf diese Kennzahl eine exponentielle Verbesserung gegenüber Elektronik auf Germaniumbasis dar.

Quelle: Materialien heute

Da sich elektrische Ladungen in diesem Material deutlich schneller bewegen können (>15,000x), eröffnet dies die Möglichkeit, Elektronik zu entwickeln, die wesentlich schneller und wesentlich weniger energieintensiv ist.

„Dies setzt einen neuen Maßstab für den Ladungstransport in Halbleitern der Gruppe IV – den Materialien, die das Herzstück der globalen Elektronikindustrie bilden.“

Dies öffnet die Tür zu schnelleren, energieeffizienteren Elektronikgeräten und Quantenbauelementen, die vollständig mit der bestehenden Siliziumtechnologie kompatibel sind.“

Dr. Sergei Studenikin – Leitender Forschungsbeauftragter, Nationaler Forschungsrat von Kanada

Wie gespanntes Germanium Quanten- und Niedrigenergiechips antreiben könnte

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

Es lässt sich auch auf eine Wafer-große Schicht skalieren und ist somit direkt auf die aktuellen Halbleiterfertigungsmethoden anwendbar.

„Herkömmliche Halbleiter mit hoher Beweglichkeit wie Galliumarsenid (GaAs) sind sehr teuer und lassen sich nicht in die gängige Siliziumfertigung integrieren.“

Dr. Sergei Studenikin – Leitender Forschungsbeauftragter, Nationaler Forschungsrat von Kanada

Dies eröffnet die Möglichkeit, die Lochmobilität in Quantencomputerdesigns zu nutzen oder diese Art von Germanium-basiertem Schaltkreis in energieeffiziente Chips und Spintronik-Bauelemente zu integrieren.

Die Umwandlung eines Laborprototyps in einen funktionsfähigen, in Serie gefertigten Chip dürfte also nicht so schwierig sein, wie es oft bei exotischeren Designs der Fall ist.

Quelle: Materialien heute

„Unser neues, kompressiv verspanntes Germanium-auf-Silizium (cs-GoS)-Quantenmaterial vereint erstklassige Mobilität mit industrieller Skalierbarkeit – ein wichtiger Schritt hin zu praktischen Quanten- und klassischen großflächigen integrierten Schaltungen.“

Dr. Sergei Studenikin – Leitender Forschungsbeauftragter, Nationaler Forschungsrat von Kanada

Investitionen in die Halbleiterfertigung

TSMC – Taiwan Semiconductor Manufacturing Company

Die Halbleiterproduktion ist eine Branche, die von der Kombination aus hochspezialisiertem und komplexem Fachwissen und der Notwendigkeit der Massenproduktion zur Kostenreduzierung geprägt ist.

Kein Unternehmen hat dieses Geschäftsmodell so erfolgreich umgesetzt wie TSMC, das taiwanesische Unternehmen, das weltweit führend in der Herstellung hochmoderner Chips ist.

TSMC produziert hauptsächlich Siliziumchips, darunter die leistungsstärksten Chips mit 3-nm- und 2-nm-Technologie. Da das Unternehmen die fortschrittlichsten und teuersten Chips herstellt, erzielt TSMC mehr als die Hälfte des weltweiten Umsatzes der Halbleiter-Auftragsfertigungsindustrie.

Quelle: Eric Flaningam

TSMC arbeitet derzeit an der Umstrukturierung hin zur Produktion von Siliziumchips in den USA. insbesondere durch eine massive Investition in seine neuen Gießereien in Arizona.

Dennoch ist TSMC auch ein Experte für hochentwickelte Germanium-basierte Transistoren und andere Halbleiter.

Das Unternehmen erzielt seinen aktuellen Gewinn also hauptsächlich mit fortschrittlichen Chips und der Herstellung von KI-Hardware für Unternehmen wie Nvidia. (NVDA )Es könnte auch einer der Hauptnutznießer der Entdeckung sein, dass mit gängigen Halbleiterherstellungsverfahren Hochleistungschips hergestellt werden können, einschließlich solcher, die Germanium verwenden.

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

Aktuelle Nachrichten und Entwicklungen zur TSMC (TSM)-Aktie

Zitierte Studie:

^{1. Myronov, M., Bogan, A., & Studenikin, S. (2025). Die Lochmobilität in kompressiv verspanntem Germanium auf Silizium übersteigt 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹. Materialien heute, 90314-321. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.004}