Informatica
Germanio stirato: una svolta per i chip quantistici
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Dal silicio al germanio
I semiconduttori a base di silicio stanno raggiungendo sempre più limiti tecnici. Non solo i transistor dei chip più avanzati sono composti da pochi atomi, ma le caratteristiche fisiche stesse degli atomi di silicio stanno diventando un limite insuperabile per ulteriori miglioramenti.
Ciò è particolarmente vero per le forme di informatica più avanzate, come la spintronica e l'informatica quantistica.
Di conseguenza, ricercatori e aziende di semiconduttori si stanno rivolgendo ad altri metalli ed elementi per trovare nuovi potenziali progetti.
Uno in particolare, il germanio, sta godendo di una rinnovata popolarità. Utilizzato per la prima volta negli anni '1950 nei primi transistor, fu inizialmente sostituito dal silicio grazie a fattori come i costi di produzione e la facilità di fabbricazione.
Oggi il germanio, fondamentale per l'elettronica e l'ottica a infrarossi (compresi i sensori sui missili e sui satelliti di difesa), viene prodotto principalmente nelle miniere di zinco e molibdeno.
Potrebbe essere utilizzato anche per altre applicazioni; ad esempio, cristalli magnetici di ferro-germanio la formazione di strutture uniche potrebbe essere utilizzata per creare superconduttori. Anche le pellicole realizzate solo con germanio potrebbero essere superconduttrici.
Ma il germanio possiede anche proprietà fisiche uniche che lo rendono un potenziale sostituto dei semiconduttori al silicio in casi specifici.
I ricercatori dell'Università di Warwick e del Consiglio Nazionale delle Ricerche del Canada hanno scoperto che il germanio può essere oltre 15,000 volte migliore del silicio sotto alcuni aspetti. Hanno pubblicato i loro risultati su Materials Today, con il titolo "La mobilità delle lacune nel germanio compressivamente deformato sul silicio supera 7 × 106 cm2V-1s−1".
Sintesi
- I ricercatori hanno raggiunto una mobilità delle lacune da record nel germanio deformato su silicio.
- Il materiale è oltre 15,000 volte più veloce del silicio industriale nel trasporto della carica.
- La piattaforma cs-GoS è compatibile con CMOS e scalabile fino a wafer completi.
- Questa svolta potrebbe consentire la realizzazione di chip a basso consumo e futuri dispositivi quantistici basati sullo spin.
Buchi in movimento, non elettroni
Quando si ha a che fare con l'elettronica e i semiconduttori, l'esatta struttura atomica di un materiale può essere importante quanto gli elementi di cui è composto.
Lo stesso vale per il germanio. I ricercatori hanno creato uno strato di germanio sottile nanometricamente, sottoposto a compressione e fatto crescere su silicio.
L'idea è quella di ottimizzare il trasporto delle cariche elettriche utilizzando "buchi ad alta mobilità", invece del consueto movimento degli elettroni.
In questo caso, invece di considerare gli elettroni in movimento e il loro trasporto di informazioni, misuriamo la proprietà che rappresenta la facilità con cui i portatori di carica positiva ("lacune" o elettroni mancanti) si muovono attraverso un materiale sottoposto a un campo elettrico.
Rispetto al tradizionale movimento degli elettroni, la mobilità delle lacune ha una superiorità “forte accoppiamento spin-orbita, interazione iperfine soppressa ed efficiente controllo dello spin completamente elettrico".
In termini meno tecnici, ciò significa che questa proprietà è perfetta per codificare informazioni nei sistemi di calcolo spintronico e quantistico.
Ma fino ad ora, i materiali con mobilità dei buchi erano troppo vulnerabili alle perturbazioni ambientali per essere utili per l'elaborazione vera e propria. Le impurità e la difficoltà di fabbricazione hanno ostacolato ulteriormente questa idea.
Germanio compresso
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| Materiale | Mobilità del foro (cm²/V·s) | Note |
|---|---|---|
| Silicio (CMOS standard) | ~ 450 | Base di riferimento attuale del settore |
| Germanio non deformato | ~ 1,900 | Più alto ma difficile da scalare |
| Ge deformato su Si (cs-GoS) | 7,150,000+ | Miglioramento >15,000×, compatibile con wafer |
Di recente è emerso un nuovo metodo di produzione, denominato deformazione compressiva, che altera la struttura cristallina dei materiali semiconduttori, influenzando i livelli di energia degli elettroni e il trasporto di carica.
Utilizzando questo metodo, i ricercatori sono riusciti a creare un sottile strato di germanio compresso su uno strato di silicio, che ha mostrato una mobilità delle lacune di 7.15 milioni di cm2 per volt-secondo (rispetto a ~450 cm2 per volt-secondo nel silicio industriale).
Ciò rappresenta un miglioramento esponenziale rispetto all'elettronica basata sul germanio per questa metrica.
Fonte: Materiali oggi
Poiché in questo materiale le cariche elettriche possono muoversi molto più velocemente (>15,000x), ciò apre le porte alla creazione di componenti elettronici molto più rapidi e con un consumo energetico molto inferiore.
"Questo stabilisce un nuovo punto di riferimento per il trasporto di carica nei semiconduttori del gruppo IV, i materiali al centro dell'industria elettronica globale.
Apre le porte a dispositivi elettronici e quantistici più rapidi ed efficienti dal punto di vista energetico, pienamente compatibili con l'attuale tecnologia del silicio".
Come il germanio sottoposto a sforzo potrebbe alimentare chip quantistici e a basso consumo energetico
Questa nuova piattaforma cs-GoS è intrinsecamente compatibile con la tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), un elemento fondamentale della produzione di semiconduttori, utilizzata per sensori, circuiti a bassa potenza e memorie per PC.
Può anche essere ampliato fino a raggiungere le dimensioni di uno strato di wafer, rendendolo direttamente applicabile agli attuali metodi di produzione di semiconduttori.
“I tradizionali semiconduttori ad alta mobilità come l'arseniuro di gallio (GaAs) sono molto costosi e impossibili da integrare nella produzione di silicio tradizionale.”
Apre la strada all'utilizzo della mobilità delle lacune nella progettazione di computer quantistici o all'integrazione di questo tipo di circuito a base di germanio in chip a basso consumo energetico e dispositivi spintronici.
Pertanto, la conversione di un prototipo di laboratorio in un chip funzionante prodotto in serie non dovrebbe essere così difficile come spesso accade per progetti più esotici.
Fonte: Materiali oggi
"Il nostro nuovo materiale quantistico al germanio su silicio (cs-GoS) sottoposto a compressione combina la mobilità leader a livello mondiale con la scalabilità industriale, un passo fondamentale verso circuiti integrati quantistici e classici su larga scala".
Investire nella produzione di semiconduttori
TSMC – Azienda taiwanese produttrice di semiconduttori
(TSM )
La produzione di semiconduttori è un settore dominato dalla combinazione di competenze molto specifiche e complesse e dalla necessità di produrre in serie su larga scala per ridurre i costi.
Nessuna azienda è riuscita a padroneggiare questo modello di business quanto TSMC, l'azienda taiwanese leader mondiale nella produzione di chip ultra-avanzati.
TSMC produce principalmente chip in silicio, inclusi i più potenti chip a nodo da 3 nm e 2 nm. E poiché produce i chip più avanzati e costosi, controlla oltre la metà dei ricavi globali dell'industria della fonderia di semiconduttori.
Fonte: di Eric Flaningam
TSMC si sta attualmente evolvendo per iniziare a produrre chip di silicio negli Stati Uniti, in particolare con un massiccio investimento nelle sue nuove fonderie in Arizona.
Tuttavia, TSMC è anche un'azienda esperta di transistor avanzati a base di germanio e altri semiconduttori.
Quindi, mentre l'azienda ricava principalmente i suoi profitti attuali da chip avanzati e dalla produzione di hardware AI per aziende come Nvidia (NVDA ), potrebbe anche essere uno dei principali beneficiari della scoperta che i comuni metodi di produzione dei semiconduttori possono produrre chip ad alte prestazioni, compresi quelli che utilizzano il germanio.
(Puoi anche Per saperne di più sulla storia e l'attività di TSM, leggi il nostro rapporto sugli investimenti dedicato all'azienda.)
Investitore da asporto
- La scoperta del germanio deformato su silicio (cs-GoS) apre la strada a chip notevolmente più veloci e a basso consumo energetico, utilizzando l'infrastruttura CMOS esistente.
- Poiché il materiale è compatibile con gli attuali processi di produzione dei wafer, il rischio di adozione è inferiore rispetto alle alternative semiconduttrici più esotiche.
- TSMC si distingue come uno dei principali beneficiari data la sua leadership nei transistor al germanio e il suo predominio nella produzione di nodi avanzati.
- Questa ricerca rafforza la necessità di investimenti a lungo termine per fonderie, produttori di attrezzature e fornitori di materiali posizionati per l'innovazione post-silicio.
- La commercializzazione è ancora in fase iniziale, ma cs-GoS rafforza la tabella di marcia per le architetture ibride silicio-quantum, un futuro catalizzatore per la domanda di chip avanzati.
Ultime notizie e sviluppi sulle azioni TSMC (TSM)
Studio referenziato:
1. Myronov, M., Bogan, A. e Studenikin, S. (2025). La mobilità delle lacune nel germanio compressivamente deformato su silicio supera 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹. Materiali oggi, 90314-321. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.004
