Germânio Sob Tensão: Uma Revolução para Chips Quânticos

Do Silício de Volta ao Germânio

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.

Isso é especialmente verdadeiro para as formas mais avançadas de computação, como spintrônica e computação quântica.

Como resultado, pesquisadores e empresas de semicondutores estão recorrendo a outros metais e elementos para encontrar novos designs potenciais.

Um em particular, o germânio, está desfrutando de popularidade renovada. Primeiro usado na década de 1950 nos transistores mais antigos, foi inicialmente substituído pelo silício graças a fatores como custos de produção e facilidade de fabricação.

Hoje, o germânio, que é crucial para eletrônica e óptica infravermelha — incluindo sensores em mísseis e satélites de defesa — é produzido principalmente a partir de minas de zinco e molibdênio.

Ele também poderia ser usado em outras aplicações; por exemplo, cristais magnéticos de ferro-germânio que formam estruturas únicas poderiam ser usados para criar supercondutores. Filmes feitos apenas de germânio também poderiam ser supercondutores.

Mas o germânio também possui propriedades físicas únicas que o tornam um potencial substituto para semicondutores de silício em casos específicos.

Pesquisadores da Universidade de Warwick e do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá descobriram que o germânio pode ser mais de 15.000 vezes melhor que o silício em alguns aspectos. Eles publicaram seus resultados na Materials Today, sob o título “Mobilidade de lacunas em germânio sob tensão compressiva sobre silício supera 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹”.

Movendo Lacunas, Não Elétrons

Quando se trata de eletrônica e semicondutores, a estrutura atômica exata de um material pode ser tão importante quanto os elementos dos quais ele é composto.

Isso também se aplica ao germânio. Os pesquisadores criaram uma camada de germânio com espessura nanométrica que está sob tensão compressiva e foi cultivada sobre silício.

A ideia é otimizar o transporte de cargas elétricas usando “lacunas de alta mobilidade”, em vez do movimento usual de elétrons.

Neste caso, em vez de elétrons se moverem e transportarem informação, medimos a propriedade que representa quão facilmente portadores de carga positivos (“lacunas”, ou elétrons ausentes) se deslocam através de um material sob um campo elétrico.

Comparada ao movimento tradicional de elétrons, a mobilidade de lacunas possui superior “acoplamento forte spin–órbita, interação hiperfina suprimida e controle de spin totalmente elétrico eficiente”.

Em linguagem menos técnica, isso significa que essa propriedade é perfeita para codificar informação em sistemas spintrônicos e de computação quântica.

Mas até agora, os materiais de alta mobilidade de lacunas eram muito vulneráveis a perturbações do ambiente para serem úteis em computação real. Impurezas e fabricação difícil dificultaram ainda mais essa ideia.

Germânio Comprimido

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Um novo método de produção surgiu recentemente, chamado tensão compressiva, que altera a estrutura cristalina dos materiais semicondutores, influenciando os níveis de energia dos elétrons e o transporte de carga.

Usando este método, os pesquisadores conseguiram criar uma fina camada de germânio comprimido sobre uma camada de silício, que exibiu uma mobilidade de lacunas de 7,15 milhões cm² por volt‑segundo (comparado a ~450 cm² por volt‑segundo no silício industrial).

Isso representa uma melhoria exponencial em relação à eletrônica baseada em germânio para esta métrica.

Fonte: Materials Today

Como as cargas elétricas podem se mover significativamente mais rápido (>15.000x) neste material, isso abre a porta para criar eletrônicos muito mais rápidos e muito menos consumidores de energia.

“Isso estabelece um novo padrão para o transporte de carga em semicondutores do grupo IV – os materiais que estão no coração da indústria global de eletrônicos.

Abre a porta para eletrônicos mais rápidos e mais eficientes em energia, bem como dispositivos quânticos que são totalmente compatíveis com a tecnologia de silício existente.

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

Como o Germânio Sob Tensão Pode Impulsionar Chips Quânticos e de Baixo Consumo de Energia

Esta nova plataforma cs-GoS é inerentemente compatível com a tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), um pilar da fabricação de semicondutores usado para sensores, circuitos de baixo consumo e memória de PCs.

Ela também pode ser ampliada para uma camada do tamanho de um wafer, tornando-a diretamente aplicável aos métodos atuais de fabricação de semicondutores.

“Semicondutores tradicionais de alta mobilidade, como o arseneto de gálio (GaAs), são muito caros e impossíveis de integrar com a fabricação de silício convencional.”

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

Abre caminho para o uso da mobilidade de lacunas em projetos de computadores quânticos, ou para integrar esse tipo de circuito baseado em germânio em chips de baixo consumo de energia e dispositivos spintrônicos.

Portanto, a conversão de um protótipo de laboratório para um chip produzido em massa funcional não deve ser tão difícil como costuma ser o caso de designs mais exóticos.

Fonte: Materials Today

“Nosso novo material quântico de germânio sobre silício sob tensão compressiva (cs-GoS) combina mobilidade líder mundial com escalabilidade industrial — um passo crucial rumo a circuitos integrados de grande escala práticos, tanto quânticos quanto clássicos.”

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

Investindo na Fabricação de Semicondutores

TSMC – Taiwan Semiconductor Manufacturing Company

A produção de semicondutores é uma indústria dominada pela combinação de expertise muito especializada e complexa, e pela necessidade de produção em massa em escala para reduzir custos.

Nenhuma empresa tem sido tão bem-sucedida em dominar esse modelo de negócios quanto a TSMC, a empresa taiwanesa que lidera o mundo na fabricação de chips ultra‑avançados.

A TSMC produz principalmente chips de silício, incluindo os chips de nós 3nm e 2nm mais poderosos. E, ao produzir os chips mais avançados e caros, controla mais da metade das receitas globais da indústria de fundição de semicondutores.

Fonte: Eric Flaningam

A TSMC está atualmente evoluindo para começar a produzir chips de silício nos EUA, notavelmente com um investimento massivo em suas novas fundições no Arizona.

No entanto, a TSMC também é especialista em transistores avançados baseados em germânio e outros semicondutores.

Portanto, embora a empresa esteja principalmente impulsionando seu lucro atual com chips avançados e a fabricação de hardware de IA para empresas como a Nvidia (NVDA ), ela também poderia ser uma das principais beneficiárias da descoberta de que métodos comuns de fabricação de semicondutores podem produzir chips de alto desempenho, inclusive aqueles que utilizam germânio.

(Você também pode ler mais sobre a história e os negócios da TSM em nosso relatório de investimento dedicado à empresa.)

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da TSMC (TSM)

Estudo Referenciado:

^{1. Myronov, M., Bogan, A., & Studenikin, S. (2025). Mobilidade de lacunas em germânio sob tensão compressiva sobre silício supera 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹. Materials Today, 90, 314–321. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.004}