Germanium sous contrainte : une percée pour les puces quantiques

Du silicium au germanium

Silicon-based semiconductors are increasingly reaching multiple technical limits. Not only are transistors in the most advanced chips made of merely a few atoms, but the very physical characteristics of silicon atoms are becoming a limitation that cannot be overcome for further improvements.

Cela est particulièrement vrai pour les formes les plus avancées d’informatique, telles que la spintronique et l’informatique quantique.

En conséquence, les chercheurs et les entreprises de semi‑conducteurs se tournent vers d’autres métaux et éléments afin de découvrir de nouveaux designs potentiels.

Un en particulier, le germanium, connaît un regain de popularité. D’abord utilisé dans les années 1950 dans les tout premiers transistors, il a été remplacé par le silicium grâce à des facteurs comme le coût de production et la facilité de fabrication.

Aujourd’hui, le germanium, qui est crucial pour l’électronique et l’optique infrarouge — y compris les capteurs sur missiles et satellites de défense — est principalement produit à partir de mines de zinc et de molybdène.

Il pourrait également être utilisé pour d’autres applications ; par exemple, des cristaux magnétiques fer‑germanium formant des structures uniques pourraient servir à créer des supraconducteurs. Des films composés uniquement de germanium pourraient également être supraconducteurs.

Mais le germanium possède aussi des propriétés physiques uniques qui en font un candidat potentiel pour remplacer les semi‑conducteurs en silicium dans certains cas.

Researchers at the University of Warwick and the National Research (NRC ) Council of Canada found that germanium can be more than 15,000x better than silicon in some aspects. They published their results in Materials Today, under the title “Hole mobility in compressively strained germanium on silicon exceeds 7 × 106 cm2V-1s−1”.

Déplacer les trous, pas les électrons

When dealing with electronics and semiconductors, the exact atomic structure of a material can be as important as the elements of which it is made.

C’est également le cas du germanium. Les chercheurs ont créé une couche de germanium d’une épaisseur nanométrique, compressée et cultivée sur du silicium.

L’idée est d’optimiser le transport des charges électriques en utilisant des « trous à haute mobilité », au lieu du déplacement habituel des électrons.

Dans ce cas, au lieu que les électrons se déplacent et transportent l’information, nous mesurons la propriété qui représente la facilité avec laquelle les porteurs de charge positifs (« trous », ou électrons manquants) se déplacent dans un matériau sous champ électrique.

Comparée au déplacement traditionnel des électrons, la mobilité des trous possède un « fort couplage spin‑orbite, interaction hyperfine supprimée et contrôle spin tout‑électrique efficace ».

En termes moins techniques, cela signifie que cette propriété est idéale pour coder l’information dans les systèmes spintroniques et quantiques.

But until now, hole mobility materials were too vulnerable to disturbance from the environment to be useful for actual computing. Impurity and difficult manufacturing hindered this idea further.

Germanium compressé

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A new production method has recently emerged, called compressive strain, which alters semiconductor materials’ crystal structure, influencing electron energy levels and charge transport.

Using this method, the researchers managed to create a thin layer of compressed germanium onto a layer of silicon, which displayed a hole mobility of 7.15 million cm² per volt-second (compared to ~450 cm² per volt-second in industrial silicon).

This represents an exponential improvement over germanium-based electronics for this metric.

Source: Materials Today

Because the electric charges can move significantly faster (>15,000x) in this material, this opens the door to creating electronics that are much faster and much less energy-consuming.

« Cela établit une nouvelle référence pour le transport de charge dans les semi‑conducteurs du groupe IV – les matériaux au cœur de l’industrie électronique mondiale.

Cela ouvre la voie à des électroniques plus rapides, plus économes en énergie et à des dispositifs quantiques entièrement compatibles avec la technologie silicium existante.

Dr. Sergei Studenikin – Responsable principal de la recherche, National Research Council of Canada

Comment le germanium sous contrainte pourrait alimenter les puces quantiques et à faible consommation

This new cs-GoS platform is inherently compatible with CMOS technology (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), a staple of semiconductor manufacturing used for sensors, low-power circuits, and PC memory.

It can also be scaled up to a wafer-size layer, making it directly applicable to current semiconductor manufacturing methods.

« Les semi‑conducteurs à haute mobilité traditionnels tels que le gallium arsenide (GaAs) sont très coûteux et impossibles à intégrer aux procédés de fabrication du silicium grand public. »

Dr. Sergei Studenikin – Responsable principal de la recherche, National Research Council of Canada

It opens the way for using hole mobility in quantum computer designs, or integrating this type of germanium-based circuit in low-energy consumption chips and spintronic devices.

So the conversion of a lab prototype to a working mass-produced chip should not be as difficult as is often the case for more exotic designs.

Source: Materials Today

« Notre nouveau matériau quantique germanium‑silicium sous contrainte (cs‑GoS) combine une mobilité de classe mondiale avec une évolutivité industrielle – une étape clé vers des circuits intégrés quantiques et classiques à grande échelle pratiques. »

Dr. Sergei Studenikin – Responsable principal de la recherche, National Research Council of Canada

Investir dans la fabrication de semi‑conducteurs

TSMC – Taiwan Semiconductor Manufacturing Company

La production de semi‑conducteurs est une industrie dominée par la combinaison d’une expertise très pointue et complexe, et la nécessité de produire en masse pour réduire les coûts.

Aucune entreprise n’a réussi à maîtriser ce modèle économique aussi bien que TSMC, la société taïwanaise qui dirige le monde dans la fabrication de puces ultra‑avancées.

TSMC produit principalement des puces en silicium, y compris les puces les plus puissantes de nœuds 3 nm et 2 nm. Et comme elle fabrique les puces les plus avancées et les plus coûteuses, elle contrôle plus de la moitié des revenus mondiaux de l’industrie des fonderies de semi‑conducteurs.

Source: Eric Flaningam

TSMC évolue actuellement pour commencer à produire des puces en silicium aux États‑Unis, notamment avec un investissement massif dans ses nouvelles fonderies en Arizona.

Cependant, TSMC est également experte en transistors avancés à base de germanium et autres semi‑conducteurs.

Ainsi, bien que l’entreprise tire actuellement la majeure partie de son profit des puces avancées et de la fabrication de matériel IA pour des acteurs comme Nvidia (NVDA ), elle pourrait aussi être l’un des principaux bénéficiaires de la découverte selon laquelle les méthodes de fabrication de semi‑conducteurs courantes peuvent produire des puces haute performance, y compris celles utilisant le germanium.

(You can also read more about TSM’s history and business in our investment report dedicated to the company.)

Dernières nouvelles et développements des actions TSMC (TSM)

Étude référencée:

^{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}