การคำนวณ
เจอร์มาเนียมที่มีความเครียด: ความก้าวหน้าครั้งสำคัญสำหรับชิปควอนตัม
Securities.io ยึดมั่นในมาตรฐานการบรรณาธิการที่เข้มงวดและอาจได้รับค่าตอบแทนจากลิงก์ที่ได้รับการตรวจสอบ เราไม่ใช่ที่ปรึกษาการลงทุนที่ลงทะเบียนและนี่ไม่ใช่คำแนะนำการลงทุน โปรดดู การเปิดเผยพันธมิตร.
จากซิลิคอนกลับสู่เจอร์มาเนียม
สารกึ่งตัวนำที่ใช้ซิลิคอนกำลังเผชิญกับข้อจำกัดทางเทคนิคหลายประการมากขึ้นเรื่อยๆ ไม่เพียงแต่ทรานซิสเตอร์ในชิปที่ทันสมัยที่สุดจะประกอบด้วยอะตอมเพียงไม่กี่อะตอมเท่านั้น แต่คุณลักษณะทางกายภาพของอะตอมซิลิคอนเองก็กำลังกลายเป็นข้อจำกัดที่ไม่สามารถเอาชนะได้เพื่อการพัฒนาต่อไป
โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับรูปแบบการคำนวณขั้นสูงที่สุด เช่น สปินโทรนิกส์และการคำนวณควอนตัม
ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยและบริษัทผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์จึงหันมาใช้โลหะและธาตุอื่นๆ เพื่อค้นหาการออกแบบใหม่ๆ ที่มีศักยภาพ
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เจอร์มาเนียม กำลังกลับมาได้รับความนิยมอีกครั้ง เจอร์มาเนียมถูกนำมาใช้ครั้งแรกในทรานซิสเตอร์รุ่นแรกๆ ในช่วงทศวรรษ 1950 แต่ต่อมาถูกแทนที่ด้วยซิลิคอนเนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น ต้นทุนการผลิตและความง่ายในการผลิต
ปัจจุบัน เจอร์มาเนียม ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเลนส์อินฟราเรด รวมถึงเซ็นเซอร์ในขีปนาวุธและดาวเทียมป้องกันประเทศ ส่วนใหญ่ผลิตจากเหมืองสังกะสีและโมลิบเดนัม
นอกจากนี้ยังสามารถนำไปใช้งานในด้านอื่นๆ ได้อีกด้วย ตัวอย่างเช่น ผลึกเหล็ก-เจอร์มาเนียมแม่เหล็ก การสร้างโครงสร้างที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวอาจนำมาใช้ในการสร้างตัวนำยิ่งยวดได้ ฟิล์มที่ทำจากเจอร์มาเนียมเพียงอย่างเดียวก็อาจมีคุณสมบัติเป็นตัวนำยิ่งยวดได้เช่นกัน
แต่เจอร์มาเนียมยังมีคุณสมบัติทางกายภาพที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งทำให้มันมีศักยภาพที่จะใช้ทดแทนสารกึ่งตัวนำซิลิคอนได้ในบางกรณี
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวอร์วิกและสภาวิจัยแห่งชาติของแคนาดาพบว่า เจอร์มาเนียมมีประสิทธิภาพดีกว่าซิลิคอนถึง 15,000 เท่าในบางด้าน พวกเขาตีพิมพ์ผลการวิจัยในวารสาร Materials Today ภายใต้ชื่อเรื่อง “ความคล่องตัวของประจุบวกในเจอร์มาเนียมที่ถูกอัดแน่นบนซิลิคอนมีค่าเกิน 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹"
สรุป
- นักวิจัยประสบความสำเร็จในการเพิ่มค่าการเคลื่อนที่ของประจุบวกในเจอร์มาเนียมที่ถูกดัดแปลงโครงสร้างบนซิลิคอนจนสูงเป็นประวัติการณ์
- วัสดุนี้มีความเร็วในการนำส่งประจุไฟฟ้าเร็วกว่าซิลิคอนที่ใช้ในอุตสาหกรรมถึง 15,000 เท่า
- แพลตฟอร์ม cs-GoS สามารถใช้งานร่วมกับเทคโนโลยี CMOS และสามารถขยายขนาดไปจนถึงเวเฟอร์ขนาดเต็มได้
- ความก้าวหน้าครั้งนี้อาจช่วยให้สามารถสร้างชิปพลังงานต่ำและอุปกรณ์ควอนตัมแบบใช้สปินในอนาคตได้
รูที่เคลื่อนที่ ไม่ใช่อิเล็กตรอน
เมื่อพูดถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และสารกึ่งตัวนำ โครงสร้างอะตอมที่แน่นอนของวัสดุนั้นมีความสำคัญพอๆ กับธาตุที่ประกอบขึ้นเป็นวัสดุนั้น
กรณีนี้ก็เช่นเดียวกันกับเจอร์มาเนียม นักวิจัยได้สร้างชั้นเจอร์มาเนียมบางระดับนาโนเมตรที่ถูกบีบอัดและปลูกบนซิลิคอน
แนวคิดคือการเพิ่มประสิทธิภาพการขนส่งประจุไฟฟ้าโดยใช้ "โฮลที่มีความคล่องตัวสูง" แทนการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนตามปกติ
ในกรณีนี้ แทนที่จะวัดการเคลื่อนที่และการนำข้อมูลของอิเล็กตรอน เราจะวัดคุณสมบัติที่แสดงถึงความง่ายในการเคลื่อนที่ของตัวนำประจุบวก ("โฮล" หรืออิเล็กตรอนที่หายไป) ผ่านวัสดุภายใต้สนามไฟฟ้า
เมื่อเปรียบเทียบกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนแบบดั้งเดิม การเคลื่อนที่ของโฮลนั้นเหนือกว่า “แรงคู่ควบสปิน-ออร์บิตที่แข็งแกร่ง การลดปฏิสัมพันธ์ไฮเปอร์ไฟน์ และการควบคุมสปินด้วยไฟฟ้าทั้งหมดที่มีประสิทธิภาพ"
กล่าวโดยสรุปในภาษาที่ไม่ซับซ้อนนัก ก็คือ คุณสมบัตินี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเข้ารหัสข้อมูลในระบบคอมพิวเตอร์แบบสปินโทรนิกส์และควอนตัม
แต่จนถึงปัจจุบัน วัสดุที่มีคุณสมบัติการเคลื่อนที่ของประจุบวกยังอ่อนไหวต่อการรบกวนจากสิ่งแวดล้อมมากเกินไป จนไม่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ในการคำนวณจริงได้ สิ่งเจือปนและกระบวนการผลิตที่ยุ่งยากยังเป็นอุปสรรคต่อแนวคิดนี้อีกด้วย
เจอร์มาเนียมอัด
ปัดเพื่อเลื่อน →
| วัสดุ | ความคล่องตัวของประจุบวก (cm²/V·s) | หมายเหตุ : |
|---|---|---|
| ซิลิคอน (CMOS มาตรฐาน) | ~ 450 | เกณฑ์มาตรฐานอุตสาหกรรมในปัจจุบัน |
| เจอร์มาเนียมที่ไม่ถูกรบกวน | ~ 1,900 | สูงขึ้นแต่ยากที่จะปรับขนาด |
| Ge ที่มีแรงดึงบน Si (cs-GoS) | 7,150,000 + | ปรับปรุงประสิทธิภาพมากกว่า 15,000 เท่า เข้ากันได้กับเวเฟอร์ |
วิธีการผลิตแบบใหม่ที่เรียกว่า การอัดแรง (compressive strain) ได้เกิดขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้ ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึกของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ส่งผลต่อระดับพลังงานของอิเล็กตรอนและการขนส่งประจุ
ด้วยวิธีการนี้ นักวิจัยสามารถสร้างชั้นบางๆ ของเจอร์มาเนียมอัดแน่นลงบนชั้นซิลิคอน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการเคลื่อนที่ของประจุบวก (hole mobility) ที่ 7.15 ล้าน cm²2 ต่อโวลต์-วินาที (เมื่อเทียบกับ ~450 ซม.)2 (ต่อโวลต์-วินาทีในซิลิคอนอุตสาหกรรม)
นี่แสดงถึงการพัฒนาที่เหนือกว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้เจอร์มาเนียมอย่างมากในด้านนี้
ที่มา: วัสดุวันนี้
เนื่องจากประจุไฟฟ้าสามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าอย่างมาก (>15,000 เท่า) ในวัสดุนี้ จึงเปิดโอกาสให้สร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เร็วขึ้นและใช้พลังงานน้อยลงอย่างมาก
“นี่เป็นการสร้างมาตรฐานใหม่สำหรับการขนส่งประจุในสารกึ่งตัวนำกลุ่ม IV ซึ่งเป็นวัสดุที่เป็นหัวใจสำคัญของอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ทั่วโลก”
สิ่งนี้เปิดประตูสู่ยุอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์ควอนตัมที่เร็วขึ้น ประหยัดพลังงานมากขึ้น และเข้ากันได้อย่างสมบูรณ์กับเทคโนโลยีซิลิคอนที่มีอยู่”
ดร. เซอร์เกย์ สตูเดนิคิน – หัวหน้าเจ้าหน้าที่วิจัย สภาวิจัยแห่งชาติแคนาดา
เจอร์มาเนียมที่ถูกดัดแปลงโครงสร้างทางเคมีอาจนำมาใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับชิปควอนตัมและชิปพลังงานต่ำได้อย่างไร
แพลตฟอร์ม cs-GoS ใหม่นี้เข้ากันได้กับเทคโนโลยี CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีหลักในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้สำหรับเซ็นเซอร์ วงจรพลังงานต่ำ และหน่วยความจำพีซี
นอกจากนี้ยังสามารถขยายขนาดให้ใหญ่ขึ้นจนถึงระดับชั้นเวเฟอร์ ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้โดยตรงกับวิธีการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ในปัจจุบันได้
“สารกึ่งตัวนำที่มีความคล่องตัวสูงแบบดั้งเดิม เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) มีราคาแพงมากและไม่สามารถนำมาบูรณาการเข้ากับการผลิตซิลิคอนกระแสหลักได้”
ดร. เซอร์เกย์ สตูเดนิคิน – หัวหน้าเจ้าหน้าที่วิจัย สภาวิจัยแห่งชาติแคนาดา
สิ่งนี้เปิดทางให้สามารถใช้การเคลื่อนที่ของประจุบวกในงานออกแบบคอมพิวเตอร์ควอนตัม หรือบูรณาการวงจรที่ใช้เจอร์มาเนียมประเภทนี้เข้ากับชิปที่ใช้พลังงานต่ำและอุปกรณ์สปินโทรนิกส์ได้
ดังนั้น การแปลงต้นแบบในห้องทดลองให้กลายเป็นชิปที่ใช้งานได้จริงสำหรับการผลิตจำนวนมาก จึงไม่น่าจะยากอย่างที่มักเกิดขึ้นกับดีไซน์ที่ซับซ้อนกว่านี้
ที่มา: วัสดุวันนี้
“วัสดุควอนตัมเจอร์มาเนียมบนซิลิคอนที่ถูกบีบอัดด้วยแรงดึง (cs-GoS) ใหม่ของเรา ผสานรวมความคล่องตัวชั้นนำระดับโลกเข้ากับความสามารถในการขยายขนาดในระดับอุตสาหกรรม ซึ่งเป็นก้าวสำคัญสู่การสร้างวงจรรวมขนาดใหญ่ทั้งแบบควอนตัมและแบบคลาสสิกที่ใช้งานได้จริง”
ดร. เซอร์เกย์ สตูเดนิคิน – หัวหน้าเจ้าหน้าที่วิจัย สภาวิจัยแห่งชาติแคนาดา
การลงทุนในอุตสาหกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์
TSMC – บริษัทผลิตเซมิคอนดักเตอร์แห่งไต้หวัน
(TSM )
อุตสาหกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์เป็นอุตสาหกรรมที่ถูกครอบงำด้วยการผสมผสานระหว่างความเชี่ยวชาญเฉพาะด้านและซับซ้อนอย่างมาก กับความจำเป็นในการผลิตจำนวนมากในระดับอุตสาหกรรมเพื่อลดต้นทุน
ไม่มีบริษัทใดประสบความสำเร็จในการใช้โมเดลธุรกิจนี้ได้ดีเท่ากับ TSMC บริษัทสัญชาติไต้หวันที่เป็นผู้นำระดับโลกในการผลิตชิปขั้นสูง
TSMC ผลิตชิปซิลิคอนเป็นหลัก รวมถึงชิปที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในระดับ 3 นาโนเมตรและ 2 นาโนเมตร และเนื่องจากผลิตชิปที่ทันสมัยและมีราคาแพงที่สุด จึงควบคุมรายได้มากกว่าครึ่งหนึ่งของอุตสาหกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ทั่วโลก
ที่มา: เอริค ฟลานิงกัม
ปัจจุบัน TSMC กำลังพัฒนาเพื่อเริ่มผลิตชิปซิลิคอนในสหรัฐอเมริกา โดยเฉพาะอย่างยิ่งการลงทุนครั้งใหญ่ในโรงหล่อแห่งใหม่ในรัฐแอริโซนา.
อย่างไรก็ตาม TSMC ยังเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านทรานซิสเตอร์ที่ใช้เจอร์มาเนียมขั้นสูงและเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ อีกด้วย
ดังนั้น ในขณะที่บริษัทกำลังสร้างผลกำไรในปัจจุบันส่วนใหญ่จากชิปขั้นสูงและการผลิตฮาร์ดแวร์ AI ให้กับบริษัทต่างๆ เช่น Nvidia (NVDA )นอกจากนี้ บริษัทดังกล่าวยังอาจเป็นหนึ่งในผู้ได้รับประโยชน์หลักจากการค้นพบว่าวิธีการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปสามารถผลิตชิปประสิทธิภาพสูงได้ รวมถึงชิปที่ใช้เจอร์มาเนียมด้วย
(นอกจากนี้คุณยังสามารถ อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับประวัติและธุรกิจของ TSM ได้ในรายงานการลงทุนของเรา อุทิศตนให้กับบริษัท.)
ซื้อกลับบ้านนักลงทุน
- การค้นพบเจอร์มาเนียมบนซิลิคอนที่มีความเครียด (cs-GoS) เปิดทางไปสู่การสร้างชิปที่เร็วขึ้นและใช้พลังงานต่ำลงอย่างมาก โดยใช้โครงสร้างพื้นฐาน CMOS ที่มีอยู่เดิม
- เนื่องจากวัสดุดังกล่าวเข้ากันได้กับกระบวนการผลิตเวเฟอร์ในปัจจุบัน ความเสี่ยงในการนำไปใช้จึงต่ำกว่าเมื่อเทียบกับเซมิคอนดักเตอร์ทางเลือกอื่นๆ ที่แปลกใหม่
- TSMC โดดเด่นในฐานะผู้ได้รับประโยชน์หลัก เนื่องจากเป็นผู้นำด้านทรานซิสเตอร์ที่ใช้เจอร์มาเนียม และมีอิทธิพลอย่างมากในการผลิตชิปขั้นสูง
- งานวิจัยนี้ตอกย้ำความคุ้มค่าของการลงทุนระยะยาวสำหรับโรงหล่อ ผู้ผลิตอุปกรณ์ และผู้จำหน่ายวัสดุที่พร้อมสำหรับการพัฒนานวัตกรรมหลังยุคซิลิคอน
- การนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่ cs-GoS ช่วยเสริมความแข็งแกร่งให้กับแผนงานสำหรับสถาปัตยกรรมซิลิคอน-ควอนตัมแบบไฮบริด ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในอนาคตสำหรับความต้องการชิปขั้นสูง
ข่าวสารและความเคลื่อนไหวล่าสุดเกี่ยวกับหุ้น TSMC (TSM)
อ้างอิงการศึกษา:
1. Myronov, M., Bogan, A., & Studenikin, S. (2025). ความคล่องตัวของรูในเจอร์มาเนียมที่ถูกอัดด้วยแรงดึงบนซิลิคอนเกิน 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹ วัสดุวันนี้, 90, 314-321 https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.004
