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तनावग्रस्त जर्मेनियम: क्वांटम चिप्स के लिए एक अभूतपूर्व उपलब्धि
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सिलिकॉन से वापस जर्मेनियम तक
सिलिकॉन-आधारित अर्धचालक तेजी से कई तकनीकी सीमाओं तक पहुँच रहे हैं। न केवल सबसे उन्नत चिप्स में ट्रांजिस्टर कुछ ही परमाणुओं से बने होते हैं, बल्कि सिलिकॉन परमाणुओं की भौतिक विशेषताएं ही एक ऐसी सीमा बनती जा रही हैं जिसे आगे सुधार के लिए दूर नहीं किया जा सकता है।
यह बात विशेष रूप से स्पिनट्रॉनिक्स और क्वांटम कंप्यूटिंग जैसी सबसे उन्नत प्रकार की कंप्यूटिंग तकनीकों के लिए सच है।
परिणामस्वरूप, शोधकर्ता और सेमीकंडक्टर कंपनियां नए संभावित डिजाइन खोजने के लिए अन्य धातुओं और तत्वों की ओर रुख कर रही हैं।
विशेष रूप से जर्मेनियम एक बार फिर लोकप्रियता हासिल कर रहा है। इसका पहली बार उपयोग 1950 के दशक में शुरुआती ट्रांजिस्टरों में किया गया था, लेकिन उत्पादन लागत और निर्माण में आसानी जैसे कारकों के कारण इसे शुरू में सिलिकॉन से बदल दिया गया था।
आज, जर्मेनियम, जो इलेक्ट्रॉनिक्स और इन्फ्रारेड ऑप्टिक्स के लिए महत्वपूर्ण है - जिसमें मिसाइलों और रक्षा उपग्रहों पर सेंसर शामिल हैं - का उत्पादन ज्यादातर जस्ता और मोलिब्डेनम की खानों से होता है।
इसका उपयोग अन्य अनुप्रयोगों के लिए भी किया जा सकता है; उदाहरण के लिए, चुंबकीय लौह-जर्मेनियम क्रिस्टल अद्वितीय संरचनाओं का निर्माण करके सुपरकंडक्टर्स का निर्माण किया जा सकता है। केवल जर्मेनियम से बनी फिल्में भी अतिचालक हो सकती हैं।
लेकिन जर्मेनियम में कुछ ऐसे अनूठे भौतिक गुण भी होते हैं जो इसे विशिष्ट मामलों में सिलिकॉन सेमीकंडक्टर के संभावित विकल्प के रूप में स्थापित करते हैं।
वारविक विश्वविद्यालय और कनाडा की राष्ट्रीय अनुसंधान परिषद के शोधकर्ताओं ने पाया कि कुछ पहलुओं में जर्मेनियम सिलिकॉन से 15,000 गुना से भी अधिक बेहतर हो सकता है। उन्होंने अपने परिणाम मैटेरियल्स टुडे में "सिलिकॉन पर संपीडन तनावग्रस्त जर्मेनियम में होल मोबिलिटी 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹ से अधिक है।".
सारांश
- शोधकर्ताओं ने तनावग्रस्त जर्मेनियम-ऑन-सिलिकॉन में रिकॉर्ड-तोड़ होल मोबिलिटी हासिल की।
- यह पदार्थ आवेश परिवहन के मामले में औद्योगिक सिलिकॉन से 15,000 गुना से भी अधिक तेज है।
- cs-GoS प्लेटफॉर्म CMOS के अनुकूल है और इसे पूर्ण वेफर्स तक बढ़ाया जा सकता है।
- इस सफलता से कम बिजली खपत करने वाले चिप्स और भविष्य में स्पिन-आधारित क्वांटम उपकरणों का विकास संभव हो सकता है।
इलेक्ट्रॉन नहीं, छिद्र गति कर रहे हैं
इलेक्ट्रॉनिक्स और सेमीकंडक्टर के क्षेत्र में, किसी पदार्थ की सटीक परमाणु संरचना उतनी ही महत्वपूर्ण हो सकती है जितनी कि वे तत्व जिनसे वह बना होता है।
जर्मेनियम के मामले में भी यही बात लागू होती है। शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन पर संपीडन द्वारा तनावग्रस्त और विकसित एक नैनोमीटर-पतली जर्मेनियम परत बनाई।
इसका उद्देश्य इलेक्ट्रॉनों की सामान्य गति के बजाय "उच्च-गतिशीलता वाले छिद्रों" का उपयोग करके विद्युत आवेशों के परिवहन को अनुकूलित करना है।
इस मामले में, इलेक्ट्रॉनों के गतिमान होने और सूचना ले जाने के बजाय, हम उस गुण को मापते हैं जो यह दर्शाता है कि धनात्मक आवेश वाहक ("होल्स," या लुप्त इलेक्ट्रॉन) विद्युत क्षेत्र के तहत किसी पदार्थ के माध्यम से कितनी आसानी से गति करते हैं।
परंपरागत इलेक्ट्रॉन गति की तुलना में, होल गतिशीलता बेहतर है।मजबूत स्पिन-ऑर्बिट युग्मन, दमित हाइपरफाइन अंतःक्रिया और कुशल सर्व-विद्युत स्पिन नियंत्रण".
सरल शब्दों में कहें तो, इसका मतलब यह है कि यह गुण स्पिनट्रॉनिक और क्वांटम कंप्यूटिंग प्रणालियों में सूचना को एन्कोड करने के लिए एकदम सही है।
लेकिन अब तक, होल मोबिलिटी सामग्री पर्यावरण से होने वाले व्यवधानों के प्रति इतनी संवेदनशील थी कि वास्तविक कंप्यूटिंग के लिए उपयोगी नहीं थी। अशुद्धता और जटिल निर्माण प्रक्रिया ने इस विचार को और भी बाधित किया।
संपीड़ित जर्मेनियम
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| सामग्री | छिद्र गतिशीलता (सेमी²/V·s) | नोट्स |
|---|---|---|
| सिलिकॉन (मानक CMOS) | ~ 450 | वर्तमान उद्योग आधारभूत रेखा |
| असंरचित जर्मेनियम | ~ 1,900 | ऊंचा है लेकिन उस पर चढ़ना मुश्किल है |
| Si पर तनावग्रस्त Ge (cs-GoS) | 7,150,000 + | 15,000 गुना से अधिक सुधार, वेफर-संगत |
हाल ही में एक नई उत्पादन विधि सामने आई है, जिसे संपीडन तनाव कहा जाता है, जो अर्धचालक पदार्थों की क्रिस्टल संरचना को बदल देती है, जिससे इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तर और आवेश परिवहन प्रभावित होता है।
इस विधि का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन की एक परत पर संपीड़ित जर्मेनियम की एक पतली परत बनाने में सफलता प्राप्त की, जिसने 7.15 मिलियन cm³ की होल मोबिलिटी प्रदर्शित की।2 प्रति वोल्ट-सेकंड (लगभग 450 सेमी की तुलना में)2 औद्योगिक सिलिकॉन में प्रति वोल्ट-सेकंड)।
यह इस मापदंड के लिए जर्मेनियम-आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स की तुलना में एक अभूतपूर्व सुधार को दर्शाता है।
स्रोत: सामग्री आज
क्योंकि इस पदार्थ में विद्युत आवेश काफी तेज गति से (>15,000 गुना) गति कर सकते हैं, इसलिए इससे ऐसे इलेक्ट्रॉनिक्स बनाने का रास्ता खुलता है जो बहुत तेज और बहुत कम ऊर्जा खपत वाले हों।
"यह ग्रुप-IV सेमीकंडक्टरों में चार्ज परिवहन के लिए एक नया मानदंड स्थापित करता है - ये वे सामग्रियां हैं जो वैश्विक इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग के केंद्र में हैं।"
इससे तेज गति से काम करने वाले, अधिक ऊर्जा-कुशल इलेक्ट्रॉनिक्स और क्वांटम उपकरणों के लिए रास्ता खुलता है जो मौजूदा सिलिकॉन प्रौद्योगिकी के साथ पूरी तरह से संगत हैं।"
डॉ. सर्गेई स्टुडेनिकिन - प्रधान अनुसंधान अधिकारी, कनाडा की राष्ट्रीय अनुसंधान परिषद
किस प्रकार तनावग्रस्त जर्मेनियम क्वांटम और कम ऊर्जा वाले चिप्स को शक्ति प्रदान कर सकता है?
यह नया cs-GoS प्लेटफॉर्म CMOS तकनीक (कॉम्प्लिमेंट्री मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर) के साथ स्वाभाविक रूप से संगत है, जो सेंसर, कम-शक्ति वाले सर्किट और पीसी मेमोरी के लिए उपयोग किए जाने वाले सेमीकंडक्टर निर्माण का एक मुख्य आधार है।
इसे वेफर के आकार की परत तक भी बढ़ाया जा सकता है, जिससे यह मौजूदा सेमीकंडक्टर निर्माण विधियों के लिए सीधे तौर पर लागू हो जाता है।
"गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) जैसे पारंपरिक उच्च-गतिशीलता वाले अर्धचालक बहुत महंगे होते हैं और मुख्यधारा के सिलिकॉन निर्माण के साथ उन्हें एकीकृत करना असंभव है।"
डॉ. सर्गेई स्टुडेनिकिन - प्रधान अनुसंधान अधिकारी, कनाडा की राष्ट्रीय अनुसंधान परिषद
यह क्वांटम कंप्यूटर डिजाइन में होल मोबिलिटी का उपयोग करने, या कम ऊर्जा खपत वाले चिप्स और स्पिनट्रॉनिक उपकरणों में इस प्रकार के जर्मेनियम-आधारित सर्किट को एकीकृत करने का मार्ग खोलता है।
इसलिए, प्रयोगशाला में तैयार किए गए प्रोटोटाइप को बड़े पैमाने पर उत्पादित होने वाली कार्यशील चिप में परिवर्तित करना उतना मुश्किल नहीं होना चाहिए जितना कि अक्सर अधिक जटिल डिजाइनों के मामले में होता है।
स्रोत: सामग्री आज
"हमारी नई संपीडनकारी तनावग्रस्त जर्मेनियम-ऑन-सिलिकॉन (सीएस-जीओएस) क्वांटम सामग्री विश्व-अग्रणी गतिशीलता को औद्योगिक स्तर पर विस्तार क्षमता के साथ जोड़ती है - यह व्यावहारिक क्वांटम और शास्त्रीय बड़े पैमाने पर एकीकृत सर्किट की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।"
डॉ. सर्गेई स्टुडेनिकिन - प्रधान अनुसंधान अधिकारी, कनाडा की राष्ट्रीय अनुसंधान परिषद
सेमीकंडक्टर विनिर्माण में निवेश
टीएसएमसी – ताइवान सेमीकंडक्टर मैन्युफैक्चरिंग कंपनी
(TSM )
सेमीकंडक्टर उत्पादन एक ऐसा उद्योग है जिसमें अत्यंत विशिष्ट और जटिल विशेषज्ञता के संयोजन और लागत को कम करने के लिए बड़े पैमाने पर उत्पादन की आवश्यकता का प्रभुत्व है।
इस बिजनेस मॉडल में महारत हासिल करने में ताइवान की कंपनी टीएसएमसी जितनी सफल कोई और कंपनी नहीं रही है, जो अति-उन्नत चिप्स के निर्माण में दुनिया का नेतृत्व कर रही है।
टीएसएमसी मुख्य रूप से सिलिकॉन चिप्स का उत्पादन करती है, जिसमें सबसे शक्तिशाली 3nm और 2nm नोड चिप्स शामिल हैं। और चूंकि यह सबसे उन्नत और महंगी चिप्स का उत्पादन करती है, इसलिए यह सेमीकंडक्टर फाउंड्री उद्योग के वैश्विक राजस्व के आधे से अधिक हिस्से को नियंत्रित करती है।
स्रोत: एरिक फ़्लेनिंगम
टीएसएमसी वर्तमान में अमेरिका में सिलिकॉन चिप्स का उत्पादन शुरू करने के लिए विकास के चरण में है। विशेष रूप से एरिज़ोना में अपनी नई फाउंड्री में किए गए भारी निवेश के साथ।.
फिर भी, टीएसएमसी उन्नत जर्मेनियम-आधारित ट्रांजिस्टर और अन्य अर्धचालकों में भी विशेषज्ञ है।
इसलिए, हालांकि कंपनी अपना मौजूदा मुनाफा मुख्य रूप से उन्नत चिप्स और एनवीडिया जैसी कंपनियों के लिए एआई हार्डवेयर के निर्माण से कमा रही है। (NVDA )यह इस खोज से लाभान्वित होने वाले मुख्य क्षेत्रों में से एक हो सकता है कि सामान्य सेमीकंडक्टर निर्माण विधियों से उच्च-प्रदर्शन वाले चिप्स का उत्पादन किया जा सकता है, जिनमें जर्मेनियम का उपयोग करने वाले चिप्स भी शामिल हैं।
(आप भी कर सकते हैं टीएसएम के इतिहास और व्यवसाय के बारे में अधिक जानने के लिए हमारी निवेश रिपोर्ट पढ़ें। कंपनी को समर्पित.)
निवेशक टेकअवे
- स्ट्रेन्ड जर्मेनियम-ऑन-सिलिकॉन (सीएस-जीओएस) की खोज मौजूदा सीएमओएस बुनियादी ढांचे का उपयोग करके नाटकीय रूप से तेज और कम बिजली खपत वाले चिप्स बनाने का मार्ग प्रशस्त करती है।
- क्योंकि यह सामग्री आज की वेफर प्रक्रियाओं के अनुकूल है, इसलिए इसे अपनाने का जोखिम अन्य प्रकार के अर्धचालकों की तुलना में कम है।
- जर्मेनियम-आधारित ट्रांजिस्टरों में अपनी अग्रणी स्थिति और उन्नत नोड निर्माण में अपने प्रभुत्व को देखते हुए, टीएसएमसी एक प्रमुख लाभार्थी के रूप में उभर कर सामने आती है।
- यह शोध सिलिकॉन युग के बाद के नवाचार के लिए तैयार फाउंड्री, उपकरण निर्माताओं और सामग्री आपूर्तिकर्ताओं के लिए दीर्घकालिक निवेश के तर्क को मजबूत करता है।
- व्यावसायीकरण अभी शुरुआती चरण में है, लेकिन cs-GoS हाइब्रिड सिलिकॉन-क्वांटम आर्किटेक्चर के लिए रोडमैप को मजबूत करता है - जो उन्नत चिप की मांग के लिए भविष्य का उत्प्रेरक है।
टीएसएमसी (टीएसएम) के नवीनतम शेयर समाचार और घटनाक्रम
संदर्भित अध्ययन:
1. मायरोनोव, एम., बोगन, ए., और स्टुडेनिकिन, एस. (2025). सिलिकॉन पर संपीड़ित तनावग्रस्त जर्मेनियम में होल गतिशीलता 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹ से अधिक है। सामग्री आज, 90, 314-321. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.004
