Gespannen germanium: Een doorbraak voor kwantumchips

Van Silicium Terug Naar Germanium

Siliciumgebaseerde halfgeleiders bereiken steeds meer verschillende technische limieten. Niet alleen bestaan transistors in de meest geavanceerde chips uit slechts enkele atomen, maar de fundamentele fysische eigenschappen van siliciumatomen vormen een beperking die niet kan worden overwonnen voor verdere verbeteringen.

Dit geldt met name voor de meest geavanceerde vormen van rekenen, zoals spintronic en kwantumcomputing.

Als gevolg hiervan wenden onderzoekers en halfgeleiderbedrijven zich tot andere metalen en elementen om nieuwe potentiële ontwerpen te vinden.

Een in het bijzonder, germanium, geniet een hernieuwde populariteit. Voor het eerst gebruikt in de jaren 50 in de vroegste transistors, werd het aanvankelijk vervangen door silicium vanwege factoren zoals productiekosten en gemakkelijke fabricage.

Tegenwoordig wordt germanium, dat cruciaal is voor elektronica en infraroodoptiek — waaronder sensoren op raketten en defensiesatellieten — voornamelijk gewonnen uit zink- en molybdeenmijnen.

Het zou ook voor andere toepassingen kunnen worden gebruikt; bijvoorbeeld, magnetische ijzer-germaniumkristallen die unieke structuren vormen, zouden kunnen worden gebruikt om supergeleiders te creëren. Films die uitsluitend uit germanium bestaan, zouden ook supergeleidend kunnen zijn.

Maar germanium heeft ook unieke fysische eigenschappen die het in specifieke gevallen tot een potentieel alternatief voor siliciumhalfgeleiders maken.

Onderzoekers van de Universiteit van Warwick en de National Research (NRC ) Council of Canada ontdekten dat germanium in sommige aspecten meer dan 15.000 keer beter kan zijn dan silicium. Ze publiceerden hun resultaten in Materials Today, onder de titel “Hole mobility in compressively strained germanium on silicon exceeds 7 × 106 cm2V-1s−1”.

Bewegende Holes, Niet Elektronen

Bij elektronica en halfgeleiders kan de exacte atomaire structuur van een materiaal net zo belangrijk zijn als de elementen waaruit het bestaat.

Dit geldt ook voor germanium. De onderzoekers creëerden een nanometer-dunne germaniumlaag die compressief wordt gespannen en op silicium wordt gegroeid.

Het idee is om het transport van elektrische ladingen te optimaliseren door gebruik te maken van “high-mobility holes”, in plaats van de gebruikelijke beweging van elektronen.

In dit geval, in plaats van dat elektronen bewegen en informatie dragen, meten we de eigenschap die aangeeft hoe gemakkelijk positieve ladingsdragers (“holes”, of ontbrekende elektronen) door een materiaal bewegen onder een elektrisch veld.

In vergelijking met traditionele elektronenbeweging heeft hole-mobiliteit een superieure “sterke spin–orbit koppeling, onderdrukte hyperfijne interactie, en efficiënte volledig elektrische spinbesturing”.

In minder technische bewoordingen betekent dit dat deze eigenschap perfect is voor het coderen van informatie in spintronic- en kwantumcomputingsystemen.

Maar tot nu toe waren hole-mobiliteitsmaterialen te kwetsbaar voor verstoringen vanuit de omgeving om bruikbaar te zijn voor daadwerkelijke computing. Impuriteiten en moeilijke productie belemmerden dit idee verder.

Gecomprimeerd Germanium

Veeg om te scrollen →

Een nieuwe productiemethode is recentelijk ontstaan, genaamd compressieve spanning, die de kristalstructuur van halfgeleidermaterialen verandert, waardoor de energieniveaus van elektronen en het ladingstransport worden beïnvloed.

Met deze methode slaagden de onderzoekers erin een dunne laag gecomprimeerd germanium op een siliciumlaag te creëren, die een hole-mobiliteit van 7,15 miljoen cm² per volt-seconde vertoonde (vergeleken met ~450 cm² per volt-seconde in industrieel silicium).

Dit vertegenwoordigt een exponentiële verbetering ten opzichte van germaniumgebaseerde elektronica voor deze metriek.

Bron: Materials Today

Omdat de elektrische ladingen aanzienlijk sneller kunnen bewegen (>15,000x) in dit materiaal, opent dit de deur naar elektronica die veel sneller en veel minder energie-intensief is.

“Dit zet een nieuwe norm voor ladingstransport in groep‑IV halfgeleiders – de materialen die het hart vormen van de wereldwijde elektronicabranche.

Het opent de deur naar snellere, energie‑efficiëntere elektronica en kwantumapparaten die volledig compatibel zijn met bestaande siliciumtechnologie.

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

Hoe Gespannen Germanium Kwantum- en Laag‑Energiechips Kan Aandrijven

Dit nieuwe cs-GoS-platform is van nature compatibel met CMOS‑technologie (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), een hoeksteen van halfgeleiderfabricage die wordt gebruikt voor sensoren, laag‑energiecircuits en pc‑geheugen.

Het kan ook opgeschaald worden tot een wafer‑grootte laag, waardoor het direct toepasbaar is op huidige halfgeleiderproductiemethoden.

“Traditionele high‑mobility halfgeleiders zoals galliumarsenide (GaAs) zijn zeer duur en onmogelijk te integreren met de gangbare siliciumproductie.”

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

Het opent de weg voor het gebruik van hole‑mobiliteit in ontwerpen van kwantumcomputers, of voor het integreren van dit type germaniumgebaseerde circuit in chips met laag energieverbruik en spintronic‑apparaten.

Dus de omzetting van een laboratoriumprototype naar een werkende massaproductie‑chip zou niet zo moeilijk moeten zijn als vaak het geval is bij meer exotische ontwerpen.

Bron: Materials Today

“Ons nieuwe compressief gespannen germanium-op-silicium (cs-GoS) kwantummateriaal combineert wereldleidende mobiliteit met industriële schaalbaarheid — een cruciale stap naar praktische kwantum‑ en klassieke grootschalige geïntegreerde circuits.”

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

Investeren in Halfgeleiderproductie

TSMC – Taiwan Semiconductor Manufacturing Company

Halfgeleiderproductie is een industrie die wordt gedomineerd door de combinatie van zeer niche‑ en complexe expertise, en de noodzaak om op grote schaal massaal te produceren om kosten te verlagen.

Geen enkel bedrijf is zo succesvol geweest in het beheersen van dit bedrijfsmodel als TSMC, het Taiwanese bedrijf dat wereldwijd vooroploopt in de productie van ultra‑geavanceerde chips.

TSMC produceert voornamelijk siliciumchips, waaronder de krachtigste 3nm- en 2nm‑node‑chips. En omdat het de meest geavanceerde en dure chips produceert, controleert het meer dan de helft van de wereldwijde omzet van de halfgeleiderfoundry‑industrie.

Bron: Eric Flaningam

TSMC is momenteel bezig met het starten van de productie van siliciumchips in de VS, met name een enorme investering in zijn nieuwe Arizona‑fabrieken.

Desondanks is TSMC ook een expert in geavanceerde germanium‑gebaseerde transistors en andere halfgeleiders.

Dus terwijl het bedrijf voornamelijk zijn huidige winst haalt uit geavanceerde chips en de productie van AI‑hardware voor onder andere Nvidia (NVDA ), zou het ook een van de belangrijkste begunstigden kunnen zijn van de ontdekking dat gangbare halfgeleiderproductiemethoden high‑performance chips kunnen produceren, inclusief die met germanium.

(U kunt ook lees meer over de geschiedenis en het bedrijf van TSM in ons investeringsrapport gewijd aan het bedrijf.)

Laatste TSMC (TSM) Aandelennieuws en Ontwikkelingen

Gerefereerde studie:

^{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}