Nov 08, 2022
(Noticias de Nanowerk) Nuestra tecnología de chips actual se basa en gran medida en el silicio. Solo en componentes muy especiales se añade una pequeña cantidad de germanio. Pero hay buenas razones para usar contenidos más altos de germanio en el futuro: el compuesto semiconductor de silicio y germanio tiene ventajas decisivas sobre la tecnología de silicio actual en términos de eficiencia energética y frecuencias de reloj alcanzables. El principal problema aquí es establecer contactos entre el metal y el semiconductor a nanoescala de forma fiable. Esto es mucho más difícil con una alta proporción de germanio que con silicio. Sin embargo, el equipo de TU Wien, junto con equipos de investigación de Linz y Thun (Suiza), ahora ha demostrado que este problema se puede resolver con contactos hechos de aluminio cristalino de muy alta calidad y un sofisticado sistema de capas de germanio de silicio. Esto permite diferentes propiedades de contacto interesantes, especialmente para componentes optoelectrónicos y cuánticos (Pequeña, “Transporte eléctrico dependiente de la composición en Si1 − xGex Nanoláminas con contactos de Al monolíticos de un solo elemento”).
El problema del oxígeno
“Cada capa de semiconductor se contamina automáticamente en los procesos convencionales; esto simplemente no se puede prevenir a nivel atómico”, dice Masiar Sistani del Instituto de Electrónica de Estado Sólido de TU Wien. En primer lugar, son los átomos de oxígeno los que se acumulan muy rápidamente en la superficie de los materiales: se forma una capa de óxido. Sin embargo, con el silicio esto no es un problema: el silicio siempre forma exactamente el mismo tipo de óxido. “Sin embargo, con el germanio las cosas son mucho más complicadas”, explica Masiar Sistani. “En este caso, hay toda una gama de diferentes óxidos que se pueden formar. Pero eso significa que diferentes dispositivos nanoelectrónicos pueden tener composiciones superficiales muy diferentes y, por lo tanto, diferentes propiedades electrónicas”. Si ahora desea conectar un contacto metálico a estos componentes, tiene un problema: incluso si se esfuerza mucho por producir todos estos componentes exactamente de la misma manera, inevitablemente todavía hay grandes diferencias, y eso hace que el material sea complejo de manejar. para su uso en la industria de los semiconductores. “La reproducibilidad es un gran problema”, dice el Prof. Walter Weber, director del Instituto de Electrónica de Estado Sólido de TU Wien. “Si usa germanio de silicio rico en germanio, no puede estar seguro de que el componente electrónico, después de haberle puesto contactos, realmente tendrá las características que necesita”. Como resultado, este material solo se usa de forma limitada en la producción de chips. Es una pena, porque el germanio de silicio tendría ventajas decisivas: “La concentración de portadores de carga es mayor, especialmente los portadores de carga positiva, los llamados “agujeros”, pueden moverse mucho más eficientemente en este material que en el silicio. Por lo tanto, el material permitiría frecuencias de reloj mucho más altas con una mayor eficiencia energética que nuestros chips de silicio actuales”, dice Lukas Wind, estudiante de doctorado en el grupo de investigación de Walter Weber.
La interfaz “perfecta”
Ahora, sin embargo, el equipo de investigación ha podido mostrar cómo se puede resolver el problema: encontraron un método para crear interfaces perfectas entre los contactos de aluminio y los componentes de germanio y silicio a escala atómica. En un primer paso, se produce un sistema de capas con una fina capa de silicio y el material real con el que se fabricarán los componentes electrónicos: el silicio-germanio. Al calentar la estructura de manera controlada, ahora se puede crear un contacto entre el aluminio y el silicio: alrededor de los 500 grados centígrados, se produce una difusión distintiva, los átomos pueden dejar su lugar y comenzar a migrar. Los átomos de silicio y germanio entran en contacto con el aluminio con relativa rapidez y el aluminio llena el espacio vacío. “La dinámica de difusión en el sistema de capas utilizado crea una interfaz entre el aluminio y el germanio de silicio con una capa de silicio extremadamente delgada en el medio”, explica Masiar Sistani. A través de este proceso de fabricación, los átomos de oxígeno nunca tienen la oportunidad de llegar a esta interfaz atómicamente nítida y altamente pura. “Nuestros experimentos muestran que estos puntos de contacto se pueden producir de forma fiable y fácilmente reproducible”, dice Walter Weber. “Los sistemas tecnológicos que necesita para hacer esto ya se están utilizando en la industria de los chips en la actualidad. Por lo tanto, este no es solo un experimento de laboratorio, sino un proceso que podría usarse con relativa rapidez en la industria de los chips. La ventaja decisiva del proceso de fabricación presentado es que se pueden producir contactos de alta calidad independientemente de la composición de silicio-germanio. “Estamos convencidos de que los contactos metal-semiconductor abruptos, robustos y fiables presentados son muy interesantes para una variedad de nuevos dispositivos nanoelectrónicos, optoelectrónicos y cuánticos”, dice Walter Weber.
