तनावयुक्त जर्मेनियम: क्वांटम चिप्स के लिए एक बड़ी उपलब्धि

सिलिकॉन से जर्मेनियम की ओर

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.

यह विशेष रूप से सबसे उन्नत कंप्यूटिंग रूपों, जैसे स्पिनट्रॉनिक्स और क्वांटम कंप्यूटिंग, के लिए सत्य है।

परिणामस्वरूप, शोधकर्ता और अर्धचालक कंपनियाँ नई संभावित डिज़ाइनों की खोज में अन्य धातुओं और तत्वों की ओर मुड़ रही हैं।

विशेष रूप से जर्मेनियम को फिर से लोकप्रियता मिल रही है। इसे 1950 के दशक में शुरुआती ट्रांज़िस्टर्स में उपयोग किया गया था, लेकिन उत्पादन लागत और निर्माण की सरलता जैसे कारणों से प्रारंभ में सिलिकॉन ने इसे प्रतिस्थापित कर दिया था।

आज, जर्मेनियम, जो इलेक्ट्रॉनिक्स और इन्फ्रारेड ऑप्टिक्स—जैसे मिसाइलों और रक्षा उपग्रहों पर सेंसर—के लिए महत्वपूर्ण है, मुख्यतः जिंक और मोलिब्डेनम खानों से निकाला जाता है।

यह अन्य अनुप्रयोगों के लिए भी उपयोग किया जा सकता है; उदाहरण के लिए, चुंबकीय आयरन-जर्मेनियम क्रिस्टल अनोखी संरचनाएँ बनाकर सुपरकंडक्टर्स बनाने में उपयोग किए जा सकते हैं। केवल जर्मेनियम से बनी फ़िल्में भी सुपरकंडक्टिंग हो सकती हैं।

लेकिन जर्मेनियम में विशिष्ट भौतिक गुण भी हैं जो इसे कुछ मामलों में सिलिकॉन अर्धचालकों के संभावित विकल्प बनाते हैं।

यूनिवर्सिटी ऑफ वारविक और नेशनल रिसर्च काउंसिल ऑफ़ कनाडा के शोधकर्ताओं ने पाया कि जर्मेनियम कुछ पहलुओं में सिलिकॉन से 15,000 गुना बेहतर हो सकता है। उन्होंने अपने परिणाम ‘Materials Today’ में प्रकाशित किए, जिसका शीर्षक “Silicon पर संपीड़ित तनाव वाले जर्मेनियम में होल मोबिलिटी 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹ से अधिक है” था।

होल को चलाना, इलेक्ट्रॉनों को नहीं

जब इलेक्ट्रॉनिक्स और अर्धचालकों से निपटा जाता है, तो किसी सामग्री की सटीक परमाणु संरचना उतनी ही महत्वपूर्ण हो सकती है जितनी कि वह किन तत्वों से बनी है।

जर्मेनियम के साथ भी यही स्थिति है। शोधकर्ताओं ने एक नैनोमीटर‑पतली जर्मेनियम परत बनाई जो संपीड़ित तनाव में है और सिलिकॉन पर उगाई गई है।

विचार यह है कि इलेक्ट्रॉनों की सामान्य गति के बजाय “उच्च‑मोबिलिटी होल” का उपयोग करके विद्युत आवेशों के ट्रांसपोर्ट को अनुकूलित किया जाए।

इस मामले में, इलेक्ट्रॉनों के चलने और सूचना ले जाने के बजाय, हम उस गुण को मापते हैं जो दर्शाता है कि सकारात्मक आवेश वाहक (“होल”, या अनुपस्थित इलेक्ट्रॉन) विद्युत क्षेत्र में सामग्री के माध्यम से कितनी आसानी से चलते हैं।

परम्परागत इलेक्ट्रॉन गति की तुलना में, होल मोबिलिटी में “मजबूत स्पिन‑ऑर्बिट कपलिंग, दमन किया गया हाइपरफ़ाइन इंटरैक्शन, और कुशल पूर्ण‑विद्युत स्पिन नियंत्रण” जैसी श्रेष्ठताएँ हैं।

कम तकनीकी भाषा में, इसका अर्थ है कि यह गुण स्पिनट्रॉनिक और क्वांटम कंप्यूटिंग सिस्टम में सूचना को एन्कोड करने के लिए उत्तम है।

लेकिन अब तक, होल मोबिलिटी सामग्री पर्यावरणीय व्यवधान के प्रति बहुत संवेदनशील थीं, जिससे वे वास्तविक कंप्यूटिंग के लिए उपयोगी नहीं थीं। अशुद्धियाँ और कठिन निर्माण ने इस विचार को और बाधित किया।

संपीड़ित जर्मेनियम

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हाल ही में एक नई उत्पादन विधि उभरी है, जिसे संपीड़न तनाव कहा जाता है, जो अर्धचालक सामग्री की क्रिस्टल संरचना को बदलती है, इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तरों और चार्ज ट्रांसपोर्ट को प्रभावित करती है।

इस विधि का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन की एक परत पर संपीड़ित जर्मेनियम की पतली परत बनाई, जिसने 7.15 मिलियन cm²/V·s की होल मोबिलिटी प्रदर्शित की (औद्योगिक सिलिकॉन में ~450 cm²/V·s के मुकाबले)।

यह इस मीट्रिक के लिए जर्मेनियम‑आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स की तुलना में घातीय सुधार दर्शाता है।

स्रोत: Materials Today

क्योंकि इस सामग्री में विद्युत आवेश बहुत तेज़ी से (>15,000x) चल सकते हैं, यह बहुत तेज़ और बहुत कम ऊर्जा‑खपत वाले इलेक्ट्रॉनिक्स बनाने का मार्ग खोलता है।

“यह समूह‑IV अर्धचालकों में चार्ज ट्रांसपोर्ट के लिए एक नया मानक स्थापित करता है – जो वैश्विक इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग के हृदय में स्थित सामग्री हैं।

यह तेज़, अधिक ऊर्जा‑कुशल इलेक्ट्रॉनिक्स और क्वांटम उपकरणों के लिए द्वार खोलता है जो मौजूदा सिलिकॉन तकनीक के साथ पूरी तरह संगत हैं।”

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

कैसे तनावयुक्त जर्मेनियम क्वांटम और कम‑ऊर्जा चिप्स को शक्ति दे सकता है

यह नया cs-GoS प्लेटफ़ॉर्म स्वाभाविक रूप से CMOS तकनीक (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) के साथ संगत है, जो सेंसर, कम‑शक्ति सर्किट और पीसी मेमोरी के निर्माण में उपयोग होने वाला एक मुख्य घटक है।

यह इसे वेफ़र‑आकार की परत तक स्केल किया जा सकता है, जिससे यह वर्तमान अर्धचालक निर्माण विधियों में सीधे लागू हो जाता है।

“परम्परागत उच्च‑मोबिलिटी अर्धचालक जैसे गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) बहुत महंगे होते हैं और मुख्यधारा के सिलिकॉन निर्माण में एकीकृत करना असंभव है।”

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

यह क्वांटम कंप्यूटर डिज़ाइनों में होल मोबिलिटी के उपयोग या इस प्रकार के जर्मेनियम‑आधारित सर्किट को कम‑ऊर्जा खपत वाले चिप्स और स्पिनट्रॉनिक उपकरणों में एकीकृत करने का मार्ग खोलता है।

इसलिए लैब प्रोटोटाइप को कार्यशील बड़े‑पैमाने पर निर्मित चिप में बदलना अक्सर अधिक जटिल डिज़ाइनों की तुलना में इतना कठिन नहीं होना चाहिए।

स्रोत: Materials Today

“हमारा नया संपीड़ित तनाव वाला जर्मेनियम-ऑन-सिलिकॉन (cs-GoS) क्वांटम सामग्री विश्व‑स्तरीय मोबिलिटी को औद्योगिक स्केलेबिलिटी के साथ जोड़ता है — व्यावहारिक क्वांटम और क्लासिकल बड़े‑पैमाने के एकीकृत सर्किटों की दिशा में एक प्रमुख कदम।”

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

अर्धचालक निर्माण में निवेश

TSMC – ताइवान सेमीकंडक्टर मैन्युफैक्चरिंग कंपनी

अर्धचालक उत्पादन एक ऐसा उद्योग है जो अत्यंत विशिष्ट और जटिल विशेषज्ञता के संयोजन तथा लागत घटाने के लिए बड़े पैमाने पर उत्पादन की आवश्यकता से नियंत्रित होता है।

कोई कंपनी इस व्यापार मॉडल में TSMC जितनी सफल नहीं रही, जो ताइवान की कंपनी है और अल्ट्रा‑एडवांस्ड चिप्स के निर्माण में विश्व में अग्रणी है।

TSMC मुख्यतः सिलिकॉन चिप्स बनाती है, जिसमें सबसे शक्तिशाली 3nm और 2nm नोड चिप्स शामिल हैं। और क्योंकि यह सबसे उन्नत और महंगी चिप्स बनाती है, यह अर्धचालक फाउंड्री उद्योग की वैश्विक आय का आधे से अधिक हिस्सा नियंत्रित करती है।

स्रोत: Eric Flaningam

TSMC वर्तमान में संयुक्त राज्य में सिलिकॉन चिप्स का उत्पादन शुरू करने के लिए विकसित हो रहा है, विशेष रूप से अपनी नई एरिज़ोना फाउंड्री में बड़े निवेश के साथ।

फिर भी, TSMC उन्नत जर्मेनियम‑आधारित ट्रांज़िस्टर्स और अन्य अर्धचालकों में भी विशेषज्ञ है।

इसलिए जबकि कंपनी मुख्यतः अपनी वर्तमान आय उन्नत चिप्स और Nvidia जैसी कंपनियों के लिए AI‑हार्डवेयर के निर्माण से प्राप्त करती है (NVDA ), यह इस खोज का भी मुख्य लाभार्थी हो सकता है कि सामान्य अर्धचालक निर्माण विधियों से उच्च‑प्रदर्शन चिप्स, जिसमें जर्मेनियम का उपयोग भी शामिल है, बनाए जा सकते हैं।

(आप भी हमारी निवेश रिपोर्ट में, TSM के इतिहास और व्यवसाय के बारे में अधिक पढ़ सकते हैं कंपनी को समर्पित.)

नवीनतम TSMC (TSM) स्टॉक समाचार और विकास

उद्धृत अध्ययन:

^{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}