Germanio bajo tensión: un avance para los chips cuánticos

Del silicio de regreso al germanio

Los semiconductores basados en silicio están alcanzando cada vez más múltiples límites técnicos. No solo los transistores en los chips más avanzados están hechos de apenas unos pocos átomos, sino que las propias características físicas de los átomos de silicio se están convirtiendo en una limitación que no puede superarse para lograr mejoras adicionales.

Esto es especialmente cierto para las formas más avanzadas de computación, como la espintrónica y la computación cuántica.

Como resultado, investigadores y compañías de semiconductores están recurriendo a otros metales y elementos para encontrar nuevos diseños potenciales.

Uno en particular, el germanio, está disfrutando de una renovada popularidad. Primero usado en la década de 1950 en los transistores más tempranos, fue reemplazado inicialmente por el silicio gracias a factores como los costos de producción y la facilidad de fabricación.

Hoy, el germanio, que es crucial para la electrónica y la óptica infrarroja —incluyendo sensores en misiles y satélites de defensa— se produce mayormente a partir de minas de zinc y molibdeno.

También podría usarse para otras aplicaciones; por ejemplo, cristales magnéticos de hierro‑germanio que forman estructuras únicas podrían servir para crear superconductores. Películas hechas únicamente de germanio también podrían ser superconductoras.

Pero el germanio también posee propiedades físicas únicas que lo convierten en un posible sustituto de los semiconductores de silicio en casos específicos.

Los investigadores de la Universidad de Warwick y del Consejo Nacional de Investigación de Canadá descubrieron que el germanio puede ser más de 15 000 veces mejor que el silicio en algunos aspectos. Publicaron sus resultados en *Materials Today*, bajo el título “Hole mobility in compressively strained germanium on silicon exceeds 7 × 106 cm2V-1s−1”.

Moviendo huecos, no electrones

Al tratar con electrónica y semiconductores, la estructura atómica exacta de un material puede ser tan importante como los elementos de los que está hecho.

Este es también el caso del germanio. Los investigadores crearon una capa de germanio de espesor nanométrico que está bajo tensión compresiva y crecida sobre silicio.

La idea es optimizar el transporte de cargas eléctricas usando “huecos de alta movilidad”, en lugar del movimiento habitual de electrones.

En este caso, en vez de que los electrones se muevan y transporten información, medimos la propiedad que representa cuán fácilmente los portadores de carga positivos (“huecos”, o electrones faltantes) se desplazan a través de un material bajo un campo eléctrico.

Comparada con el movimiento tradicional de electrones, la movilidad de huecos posee un “acoplamiento fuerte espín‑órbita, interacción hiperfina suprimida y control de espín totalmente eléctrico”.

En un lenguaje menos técnico, esto significa que esta propiedad es perfecta para codificar información en sistemas espintrónicos y de computación cuántica.

Pero hasta ahora, los materiales con alta movilidad de huecos eran demasiado vulnerables a perturbaciones del entorno para ser útiles en la computación real. Las impurezas y la fabricación difícil obstaculizaban aún más esta idea.

Germanio comprimido

Desliza para desplazarte →

Un nuevo método de producción ha surgido recientemente, llamado tensión compresiva, que altera la estructura cristalina de los materiales semiconductores, influyendo en los niveles de energía de los electrones y el transporte de carga.

Usando este método, los investigadores lograron crear una capa delgada de germanio comprimido sobre una capa de silicio, que mostró una movilidad de huecos de 7,15 millones cm² por volt‑segundo (comparado con ~450 cm² por volt‑segundo en el silicio industrial).

Esto representa una mejora exponencial respecto a la electrónica basada en germanio para esta métrica.

Fuente: Materials Today

Debido a que las cargas eléctricas pueden moverse significativamente más rápido (>15,000×) en este material, se abre la puerta a crear electrónica mucho más rápida y mucho menos consumidora de energía.

“Esto establece un nuevo punto de referencia para el transporte de carga en semiconductores del grupo‑IV, los materiales en el corazón de la industria electrónica global.

Abre la puerta a electrónica más rápida y más eficiente energéticamente, y a dispositivos cuánticos totalmente compatibles con la tecnología de silicio existente.”

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

Cómo el germanio bajo tensión podría impulsar chips cuánticos y de bajo consumo

Esta nueva plataforma cs‑GoS es inherentemente compatible con la tecnología CMOS (Complementary Metal‑Oxide‑Semiconductor), un pilar de la fabricación de semiconductores usado para sensores, circuitos de bajo consumo y memoria de PC.

Puede también escalarse a una capa del tamaño de una oblea, haciéndola directamente aplicable a los métodos actuales de fabricación de semiconductores.

“Los semiconductores tradicionales de alta movilidad como el arseniuro de galio (GaAs) son muy costosos e imposibles de integrar con la fabricación de silicio dominante.”

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

Abre la vía para usar la movilidad de huecos en diseños de computadoras cuánticas, o integrar este tipo de circuito basado en germanio en chips de bajo consumo y dispositivos espintrónicos.

Por lo tanto, la conversión de un prototipo de laboratorio a un chip producido en masa no debería ser tan difícil como suele ocurrir con diseños más exóticos.

Fuente: Materials Today

“Nuestro nuevo material cuántico de germanio sobre silicio bajo tensión compresiva (cs‑GoS) combina una movilidad líder mundial con escalabilidad industrial —un paso clave hacia circuitos integrados a gran escala, tanto cuánticos como clásicos, prácticos.”

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

Inversión en la fabricación de semiconductores

TSMC – Taiwan Semiconductor Manufacturing Company

La producción de semiconductores es una industria dominada por la combinación de una experiencia muy especializada y compleja, y la necesidad de producir en masa a escala para reducir costos.

Ninguna empresa ha tenido tanto éxito dominando este modelo de negocio como TSMC, la compañía taiwanesa que lidera al mundo en la fabricación de chips ultra‑avanzados.

TSMC produce principalmente chips de silicio, incluidos los más potentes de 3 nm y 2 nm. Y al producir los chips más avanzados y costosos, controla más de la mitad de los ingresos globales de la industria de fundición de semiconductores.

Fuente: Eric Flaningam

TSMC está evolucionando actualmente para comenzar a producir chips de silicio en EE. UU., notablemente con una enorme inversión en sus nuevas fundiciones de Arizona.

Aún así, TSMC también es experta en transistores avanzados basados en germanio y otros semiconductores.

Así que, mientras la compañía genera la mayor parte de sus ganancias actuales con chips avanzados y la fabricación de hardware de IA para empresas como Nvidia (NVDA ), también podría ser uno de los principales beneficiarios del descubrimiento de que los métodos comunes de fabricación de semiconductores pueden producir chips de alto rendimiento, incluidos los que usan germanio.

(También puedes leer más sobre la historia y el negocio de TSM en nuestro informe de inversión dedicado a la compañía.)

Últimas noticias y desarrollos de acciones de TSMC (TSM)

Estudio Referenciado:

^{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}