Germanio tensado: un avance para los chips cuánticos

Del silicio al germanio

Los semiconductores de silicio alcanzan cada vez más límites técnicos. Los transistores de los chips más avanzados no solo están compuestos por unos pocos átomos, sino que las propias características físicas de los átomos de silicio se están convirtiendo en una limitación insuperable para futuras mejoras.

Esto es especialmente cierto para las formas más avanzadas de computación, como la espintrónica y la computación cuántica.

Como resultado, los investigadores y las empresas de semiconductores están recurriendo a otros metales y elementos para encontrar nuevos diseños potenciales.

Uno en particular, el germanio, goza de una renovada popularidad. Utilizado por primera vez en la década de 1950 en los primeros transistores, fue reemplazado inicialmente por el silicio gracias a factores como los costos de producción y la facilidad de fabricación.

Hoy en día, el germanio, que es crucial para la electrónica y la óptica infrarroja (incluidos los sensores de misiles y satélites de defensa), se produce principalmente a partir de minas de zinc y molibdeno.

También podría utilizarse para otras aplicaciones; por ejemplo, cristales magnéticos de hierro-germanio La formación de estructuras únicas podría utilizarse para crear superconductores. Las películas fabricadas únicamente con germanio también podrían ser superconductoras.

Pero el germanio también tiene propiedades físicas únicas que lo convierten en un reemplazo potencial de los semiconductores de silicio en casos específicos.

Investigadores de la Universidad de Warwick y del Consejo Nacional de Investigación de Canadá descubrieron que el germanio puede ser más de 15,000 veces mejor que el silicio en algunos aspectos. Publicaron sus resultados en Materials Today, bajo el título «La movilidad de los huecos en el germanio sometido a compresión sobre silicio supera los 7 × 106 cm2V-1s−1.

Movimiento de huecos, no de electrones

Cuando se trabaja con electrónica y semiconductores, la estructura atómica exacta de un material puede ser tan importante como los elementos que lo componen.

Esto también ocurre con el germanio. Los investigadores crearon una capa de germanio de espesor nanométrico, sometida a compresión y cultivada sobre silicio.

La idea es optimizar el transporte de cargas eléctricas utilizando “huecos de alta movilidad”, en lugar del movimiento habitual de electrones.

En este caso, en lugar de que los electrones se muevan y transporten información, medimos la propiedad que representa la facilidad con la que los portadores de carga positiva (“huecos” o electrones faltantes) se mueven a través de un material bajo un campo eléctrico.

En comparación con el movimiento tradicional de electrones, la movilidad de los huecos tiene una “Fuerte acoplamiento espín-órbita, interacción hiperfina suprimida y control de espín totalmente eléctrico eficiente..

En un lenguaje menos técnico, esto significa que esta propiedad es perfecta para codificar información en sistemas de computación espintrónica y cuántica.

Pero hasta ahora, los materiales con movilidad de huecos eran demasiado vulnerables a las perturbaciones ambientales como para ser útiles para la computación real. La impureza y la dificultad de fabricación dificultaban aún más esta idea.

Germanio comprimido

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Recientemente ha surgido un nuevo método de producción, llamado deformación compresiva, que altera la estructura cristalina de los materiales semiconductores, influyendo en los niveles de energía de los electrones y en el transporte de carga.

Utilizando este método, los investigadores lograron crear una fina capa de germanio comprimido sobre una capa de silicio, que mostró una movilidad de huecos de 7.15 millones de cm² por voltio-segundo (en comparación con ~450 cm² por voltio-segundo en silicio industrial).

Esto representa una mejora exponencial sobre la electrónica basada en germanio para esta métrica.

Fuente: Materiales hoy

Debido a que las cargas eléctricas pueden moverse significativamente más rápido (>15,000x) en este material, se abre la puerta a la creación de productos electrónicos que son mucho más rápidos y consumen mucha menos energía.

“Esto establece un nuevo punto de referencia para el transporte de carga en semiconductores del grupo IV: los materiales en el corazón de la industria electrónica global.

“Abre la puerta a dispositivos electrónicos y cuánticos más rápidos y energéticamente eficientes que son totalmente compatibles con la tecnología de silicio existente”.

Dr. Sergei Studenikin – Investigador principal, Consejo Nacional de Investigación de Canadá

Cómo el germanio deformado podría alimentar chips cuánticos y de bajo consumo energético

Esta nueva plataforma cs-GoS es inherentemente compatible con la tecnología CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario), un elemento básico de la fabricación de semiconductores que se utiliza para sensores, circuitos de bajo consumo y memoria de PC.

También se puede escalar a una capa del tamaño de una oblea, lo que lo hace directamente aplicable a los métodos actuales de fabricación de semiconductores.

“Los semiconductores tradicionales de alta movilidad, como el arseniuro de galio (GaAs), son muy caros e imposibles de integrar en la fabricación convencional de silicio”.

Dr. Sergei Studenikin – Investigador principal, Consejo Nacional de Investigación de Canadá

Abre la puerta a la utilización de la movilidad de huecos en diseños de ordenadores cuánticos, o a la integración de este tipo de circuitos basados ​​en germanio en chips de bajo consumo energético y dispositivos espintrónicos.

Por lo tanto, la conversión de un prototipo de laboratorio en un chip funcional producido en masa no debería ser tan difícil como suele suceder con los diseños más exóticos.

Fuente: Materiales hoy

“Nuestro nuevo material cuántico de germanio sobre silicio (cs-GoS) sometido a compresión combina una movilidad líder a nivel mundial con escalabilidad industrial: un paso clave hacia circuitos integrados cuánticos y clásicos prácticos a gran escala”.

Dr. Sergei Studenikin – Investigador principal, Consejo Nacional de Investigación de Canadá

Invertir en la fabricación de semiconductores

TSMC – Compañía de fabricación de semiconductores de Taiwán

La producción de semiconductores es una industria dominada por la combinación de conocimientos especializados muy específicos y complejos, y la necesidad de producir en masa a gran escala para reducir costes.

Ninguna empresa ha dominado este modelo de negocio con tanto éxito como TSMC, la compañía taiwanesa líder mundial en la fabricación de chips ultra avanzados.

TSMC produce principalmente chips de silicio, incluyendo los chips de nodo de 3 nm y 2 nm más potentes. Y como produce los chips más avanzados y costosos, controla más de la mitad de los ingresos globales de la industria de fundición de semiconductores.

Fuente: Eric Flaningam

TSMC está actualmente evolucionando para comenzar a producir chips de silicio en EE. UU. en particular, con una inversión masiva en sus nuevas fundiciones de Arizona..

Sin embargo, TSMC también es experta en transistores avanzados basados ​​en germanio y otros semiconductores.

Así pues, si bien la empresa obtiene la mayor parte de sus beneficios actuales de chips avanzados y de la fabricación de hardware de IA para empresas como Nvidia (NVDA )También podría ser uno de los principales beneficiarios del descubrimiento de que los métodos comunes de fabricación de semiconductores pueden producir chips de alto rendimiento, incluidos los que utilizan germanio.

(Tú también puedes Lea más sobre la historia y el negocio de TSM en nuestro informe de inversiones dedicado a la empresa.)

Últimas noticias y novedades sobre las acciones de TSMC (TSM)

Estudio referenciado:

^{1. Myronov, M., Bogan, A. y Studenikin, S. (2025). La movilidad de huecos en germanio deformado por compresión sobre silicio supera los 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹. Materiales hoy, 90, 314-321. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.004}