Spänt germanium: Ett genombrott för kvantchip

Från kisel tillbaka till germanium

Kiselbaserade halvledare närmar sig allt fler tekniska gränser. Transistorerna i de mest avancerade chippen består inte bara av ett fåtal atomer; kiselatomernas egna fysikaliska egenskaper har också blivit en begränsning som hindrar fortsatta förbättringar.

Det gäller särskilt de mest avancerade formerna av databehandling, såsom spintronik och kvantberäkning.

Därför vänder sig forskare och halvledarföretag till andra metaller och grundämnen för att hitta nya möjliga konstruktioner.

Ett ämne som fått förnyad uppmärksamhet är germanium. Det användes i de tidigaste transistorerna på 1950-talet, men ersattes till en början av kisel på grund av bland annat produktionskostnader och enklare tillverkning.

I dag utvinns germanium, som är viktigt för elektronik och infraröd optik – bland annat sensorer i robotar och försvarssatelliter – främst som en biprodukt från zink- och molybdengruvor.

Det kan även användas inom andra områden. Exempelvis skulle magnetiska järn-germaniumkristaller som bildar unika strukturer kunna användas för att skapa supraledare. Filmer som enbart består av germanium kan också vara supraledande.

Germanium har dessutom unika fysikaliska egenskaper som i vissa tillämpningar gör materialet till en möjlig ersättare för kiselhalvledare.

Forskare vid University of Warwick och Kanadas National Research (NRC ) Council fann att germanium i vissa avseenden kan vara mer än 15 000 gånger bättre än kisel. De publicerade resultaten i Materials Today under titeln ”Hålrörlighet i kompressivt spänt germanium på kisel överstiger 7 × 10⁶ cm²·V⁻¹·s⁻¹”.

Flytta hål, inte elektroner

När det gäller elektronik och halvledare kan ett materials exakta atomstruktur vara lika viktig som de grundämnen det består av.

Så är det även med germanium. Forskarna skapade ett nanometertunt lager germanium som utsattes för kompressiv töjning och odlades på kisel.

Tanken är att optimera transporten av elektriska laddningar genom att använda hål med hög rörlighet i stället för den vanliga elektronrörelsen.

I stället för att elektroner rör sig och bär information mäter man här den egenskap som visar hur lätt positiva laddningsbärare – så kallade hål, eller saknade elektroner – rör sig genom ett material i ett elektriskt fält.

Jämfört med traditionell elektrontransport ger hålrörlighet överlägsen ”stark spinn–ban-koppling, undertryckt hyperfin växelverkan och effektiv helelektrisk spinnkontroll”.

Uttryckt mindre tekniskt innebär det att egenskapen lämpar sig mycket väl för att koda information i spintroniska system och kvantdatorsystem.

Hittills har material med hög hålrörlighet dock varit alltför känsliga för störningar från omgivningen för att kunna användas i praktiska datorsystem. Föroreningar och svår tillverkning har dessutom hämmat utvecklingen.

Komprimerat germanium

Svep för att rulla →

En ny tillverkningsmetod som kallas kompressiv töjning har nyligen vuxit fram. Den förändrar halvledarmaterialets kristallstruktur och påverkar elektronernas energinivåer samt laddningstransporten.

Med metoden lyckades forskarna skapa ett tunt lager komprimerat germanium ovanpå ett kisellager. Materialet uppvisade en hålrörlighet på 7,15 miljoner cm² per voltsekund, jämfört med cirka 450 cm² per voltsekund i industriellt kisel.

För just detta mått innebär det en exponentiell förbättring jämfört med tidigare germaniumbaserad elektronik.

Källa: Materials Today

Eftersom de elektriska laddningarna kan röra sig betydligt snabbare – mer än 15 000 gånger snabbare – i materialet öppnas möjligheten att skapa elektronik som både är mycket snabbare och förbrukar betydligt mindre energi.

“Detta sätter en ny referenspunkt för laddningstransport i grupp‑IV‑halvledare – materialen i hjärtat av den globala elektronikindustrin.

Det öppnar dörren till snabbare, mer energieffektiva elektronik‑ och kvantenheter som är fullt kompatibla med befintlig kiselteknik.

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

Hur spännt germanium kan driva kvant- och lågenergi‑chip

Den nya cs-GoS-plattformen är i grunden kompatibel med CMOS-teknik (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), som är standard inom halvledartillverkning för sensorer, strömsnåla kretsar och datorminnen.

Den kan dessutom skalas upp till ett lager i full waferstorlek och därmed användas direkt med dagens metoder för halvledartillverkning.

”Traditionella halvledare med hög rörlighet, såsom galliumarsenid (GaAs), är mycket dyra och omöjliga att integrera med konventionell kiseltillverkning.”

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

Det öppnar för att använda hålrörlighet i kvantdatorarkitekturer eller integrera denna typ av germaniumbaserade kretsar i strömsnåla chip och spintroniska enheter.

Övergången från en laboratorieprototyp till ett fungerande massproducerat chip bör därför inte vara lika svår som den ofta är för mer exotiska konstruktioner.

Källa: Materials Today

”Vårt nya kvantmaterial med kompressivt spänt germanium på kisel (cs-GoS) kombinerar världsledande rörlighet med industriell skalbarhet – ett viktigt steg mot praktiska, storskaligt integrerade kvantkretsar och klassiska kretsar.”

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

Investera i tillverkning av halvledare

TSMC – Taiwan Semiconductor Manufacturing Company

Halvledartillverkning är en bransch som domineras av en kombination av mycket nischad och komplex expertis samt behovet av storskalig massproduktion för att sänka kostnaderna.

Inget företag har varit lika framgångsrikt med att bemästra denna affärsmodell som TSMC, det taiwanesiska bolag som leder världen inom tillverkning av ultramoderna chip.

TSMC tillverkar främst kiselchip, inklusive de mest kraftfulla chippen med 3- och 2-nanometersnoder. Eftersom bolaget producerar de mest avancerade och dyraste chippen står det för mer än hälften av de globala intäkterna inom kontraktstillverkning av halvledare.

Källa: Eric Flaningam

TSMC håller för närvarande på att bygga upp produktion av kiselchip i USA, framför allt genom en mycket stor investering i sina nya fabriker i Arizona.

TSMC har samtidigt också stor expertis inom avancerade germaniumbaserade transistorer och andra halvledare.

Även om bolagets nuvarande vinst främst drivs av avancerade chip och tillverkning av AI-hårdvara åt företag som Nvidia (NVDA ), kan TSMC därför också bli en av de främsta vinnarna på upptäckten att vanliga tillverkningsmetoder för halvledare kan producera högpresterande chip, även sådana som använder germanium.

(Du kan också läsa mer om TSMC:s historia och verksamhet i vår investeringsrapport om företaget.)

Senaste TSMC (TSM) aktienyheter och utvecklingar

Studie refererad:

^{1. Myronov, M., Bogan, A., & Studenikin, S. (2025). Hålrörlighet i komprimerat spännt germanium på kisel överstiger 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹. Materials Today, 90, 314–321. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.004}