Germanium sous contrainte : une percée pour les puces quantiques

Du silicium au germanium

Les semi-conducteurs à base de silicium atteignent de plus en plus plusieurs limites techniques. Non seulement les transistors des puces les plus avancées ne comptent plus que quelques atomes, mais les caractéristiques physiques mêmes des atomes de silicium deviennent une limite qui empêche toute amélioration supplémentaire.

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.

Des chercheurs de l’Université de Warwick et du Conseil national de recherches (NRC ) du Canada ont découvert que le germanium pouvait surpasser le silicium de plus de 15 000 fois dans certains domaines. Ils ont publié leurs résultats dans Materials Today, sous le titre « La mobilité des trous dans le germanium sous contrainte compressive sur silicium dépasse 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹ ».

Déplacer les trous, pas les électrons

Dans le domaine de l’électronique et des semi-conducteurs, la structure atomique précise d’un matériau peut être aussi importante que les éléments qui le composent.

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.

Mais jusqu’à présent, les matériaux à forte mobilité des trous étaient trop vulnérables aux perturbations de leur environnement pour être utilisés dans des systèmes informatiques réels. Les impuretés et les difficultés de fabrication ont encore freiné cette piste.

Germanium compressé

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Une nouvelle méthode de production, appelée contrainte compressive, est apparue récemment. Elle modifie la structure cristalline des matériaux semi-conducteurs et influe sur les niveaux d’énergie des électrons ainsi que sur le transport des charges.

Grâce à cette méthode, les chercheurs ont réussi à créer une fine couche de germanium comprimé sur une couche de silicium, affichant une mobilité des trous de 7,15 millions de cm² par volt-seconde (contre environ 450 cm² par volt-seconde pour le silicium industriel).

Pour cet indicateur, cela représente une amélioration exponentielle par rapport à l’électronique à base de germanium.

Source: Materials Today

Comme les charges électriques peuvent se déplacer beaucoup plus rapidement (>15 000 fois) dans ce matériau, celui-ci ouvre la voie à des composants électroniques nettement plus rapides et beaucoup moins énergivores.

« 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

Cette nouvelle plateforme cs-GoS est intrinsèquement compatible avec la technologie CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), un pilier de la fabrication des semi-conducteurs utilisé pour les capteurs, les circuits à faible consommation et la mémoire des ordinateurs.

Elle peut également être mise à l’échelle jusqu’à couvrir une plaquette entière, ce qui la rend directement applicable aux méthodes actuelles de fabrication des semi-conducteurs.

« 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

Elle ouvre la voie à l’utilisation de la mobilité des trous dans la conception d’ordinateurs quantiques, ou à l’intégration de ce type de circuit à base de germanium dans des puces à faible consommation et des dispositifs spintroniques.

Ainsi, le passage d’un prototype de laboratoire à une puce fonctionnelle produite en série ne devrait pas être aussi difficile que c’est souvent le cas pour des architectures plus exotiques.

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.

(Vous pouvez également en savoir plus sur l’histoire et les activités de TSMC dans notre rapport d’investissement consacré à l’entreprise.)

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}