גרמניום מסונן: פריצת דרך עבור שבבים קוונטיים

מסיליקון חזרה לגרמניום

מוליכים למחצה מבוססי סיליקון מגיעים יותר ויותר למגבלות טכניות מרובות. לא רק שטרנזיסטורים בשבבים המתקדמים ביותר עשויים מאטומים ספורים בלבד, אלא שהמאפיינים הפיזיים עצמם של אטומי הסיליקון הופכים למגבלה שלא ניתן להתגבר עליה לצורך שיפורים נוספים.

זה נכון במיוחד לגבי צורות המחשוב המתקדמות ביותר, כגון ספינטרוניקה ומחשוב קוונטי.

כתוצאה מכך, חוקרים וחברות מוליכים למחצה פונים למתכות וייצור יסודות אחרים כדי למצוא עיצובים פוטנציאליים חדשים.

גרמניום, אחד מהם בפרט, נהנה מפופולריות מחודשת. הוא שימש לראשונה בשנות ה-1950 בטרנזיסטורים הראשונים, אך בתחילה הוחלף בסיליקון הודות לגורמים כמו עלויות ייצור וקלות ייצור.

כיום, גרמניום, שהוא חיוני לאלקטרוניקה ואופטיקה אינפרא-אדומה - כולל חיישנים על טילים ולווייני הגנה - מופק בעיקר ממכרות אבץ ומוליבדן.

ניתן להשתמש בו גם ליישומים אחרים; לדוגמה, גבישי ברזל-גרמניום מגנטיים יצירת מבנים ייחודיים יכולה לשמש ליצירת מוליכי-על. סרטים העשויים מגרמניום בלבד יכולים גם הם להיות מוליכים-על.

אבל לגרמניום יש גם תכונות פיזיקליות ייחודיות שהופכות אותו לתחליף פוטנציאלי למוליכים למחצה מסיליקון במקרים ספציפיים.

חוקרים מאוניברסיטת וורוויק ומועצת המחקר הלאומית של קנדה מצאו שגרמניום יכול להיות טוב פי 15,000 יותר מסיליקון בהיבטים מסוימים. הם פרסמו את תוצאותיהם ב-Materials Today, תחת הכותרת "ניידות חורים בגרמניום תחת מאמץ דחיסה על סיליקון עולה על 7 × 106 cm2V-1s−1".

חורים נעים, לא אלקטרונים

כשעוסקים באלקטרוניקה ובמוליכים למחצה, המבנה האטומי המדויק של חומר יכול להיות חשוב לא פחות מהיסודות מהם הוא עשוי.

זה המצב גם עם גרמניום. החוקרים יצרו שכבת גרמניום דקה כ-nanometer אשר עוברת דחיסה וגודלה על סיליקון.

הרעיון הוא לייעל את הובלת המטענים החשמליים באמצעות "חורים בעלי ניידות גבוהה", במקום התנועה הרגילה של אלקטרונים.

במקרה זה, במקום שאלקטרונים יתנועעו ויישאו מידע, אנו מודדים את התכונה המייצגת את הקלות שבה נושאי מטען חיוביים ("חורים", או אלקטרונים חסרים) נעים דרך חומר תחת שדה חשמלי.

בהשוואה לתנועת אלקטרונים מסורתית, לניידות חורים יש עדיפות "צימוד ספין-מסלול חזק, אינטראקציה היפר-פינה מדוכאת ובקרת ספין חשמלית לחלוטין יעילה".

בשפה פחות טכנית, משמעות הדבר היא שתכונה זו מושלמת לקידוד מידע במערכות ספינטרוניות ומחשוב קוונטי.

אבל עד כה, חומרים בעלי ניידות חורים היו פגיעים מדי להפרעות מהסביבה מכדי להיות שימושיים לחישוב ממשי. זיהומים וקשיי ייצור עיכבו את הרעיון הזה עוד יותר.

גרמניום דחוס

החלק כדי לגלול →

לאחרונה צצה שיטת ייצור חדשה, הנקראת מאמץ דחיסה, אשר משנה את מבנה הגביש של חומרי מוליכים למחצה, ומשפיעה על רמות אנרגיית האלקטרונים ועל העברת המטען.

באמצעות שיטה זו, הצליחו החוקרים ליצור שכבה דקה של גרמניום דחוס על גבי שכבת סיליקון, אשר הציגה ניידות חורים של 7.15 מיליון סמ"ק.² לכל וולט-שנייה (בהשוואה ל-~450 ס"מ² לכל וולט-שנייה בסיליקון תעשייתי).

זה מייצג שיפור אקספוננציאלי בהשוואה לאלקטרוניקה מבוססת גרמניום עבור מדד זה.

מקור: חומרים היום

מכיוון שהמטענים החשמליים יכולים לנוע מהר יותר משמעותית (פי 15,000) בחומר זה, זה פותח את הדלת ליצירת אלקטרוניקה מהירה הרבה יותר וצריכת אנרגיה נמוכה בהרבה.

"זה קובע אמת מידה חדשה להובלת מטען במוליכים למחצה מקבוצה IV - החומרים שבלב תעשיית האלקטרוניקה העולמית."

זה פותח את הדלת לאלקטרוניקה ומכשירים קוונטיים מהירים ויעילים יותר באנרגיה, התואמים במלואם לטכנולוגיית הסיליקון הקיימת."

ד"ר סרגיי סטודניקין – חוקר ראשי, המועצה הלאומית למחקר של קנדה

כיצד גרמניום מסונן יכול להפעיל שבבים קוונטיים ודלי אנרגיה

פלטפורמת cs-GoS החדשה הזו תואמת מטבעה לטכנולוגיית CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), מרכיב עיקרי בייצור מוליכים למחצה המשמש לחיישנים, מעגלים בעלי צריכת אנרגיה נמוכה וזיכרון מחשב.

ניתן גם להגדיל אותו לשכבה בגודל של פרוסת ופלה, מה שהופך אותו ליישום ישיר בשיטות ייצור מוליכים למחצה הנוכחיות.

"מוליכים למחצה מסורתיים בעלי ניידות גבוהה כמו גליום ארסניד (GaAs) יקרים מאוד ובלתי אפשרי לשילוב עם ייצור סיליקון מיינסטרים."

ד"ר סרגיי סטודניקין – חוקר ראשי, המועצה הלאומית למחקר של קנדה

זה פותח את הדרך לשימוש בניידות חורים בתכנון מחשבים קוונטיים, או לשילוב מעגלים מבוססי גרמניום מסוג זה בשבבים בעלי צריכת אנרגיה נמוכה ובמכשירים ספינטרוניים.

אז ההמרה של אב טיפוס ממעבדה לשבב המיוצר בייצור המוני לא אמורה להיות קשה כמו שקורה לעתים קרובות בעיצובים אקזוטיים יותר.

מקור: חומרים היום

"חומר הקוונטי החדש שלנו, המורכב מגרמניום על סיליקון (cs-GoS), המחושב במאמץ דחיסתי, משלב ניידות מובילה עולמית עם מדרגיות תעשייתית - צעד מפתח לקראת מעגלים משולבים קוונטיים וקלאסיים בקנה מידה גדול."

ד"ר סרגיי סטודניקין – חוקר ראשי, המועצה הלאומית למחקר של קנדה

השקעה בייצור מוליכים למחצה

TSMC – חברת ייצור מוליכים למחצה מטייוואן

ייצור מוליכים למחצה הוא תעשייה הנשלטת על ידי שילוב של מומחיות נישתית ומורכבת מאוד, והצורך בייצור המוני בקנה מידה גדול כדי להפחית עלויות.

אף חברה לא הצליחה לשלוט במודל עסקי זה כמו TSMC, החברה הטייוואנית המובילה את העולם בייצור שבבים מתקדמים במיוחד.

TSMC מייצרת בעיקר שבבי סיליקון, כולל שבבי הצומת החזקים ביותר ב-3 ננומטר ו-2 ננומטר. וכיוון שהיא מייצרת את השבבים המתקדמים והיקרים ביותר, היא שולטת ביותר ממחצית מההכנסות העולמיות של תעשיית יציקת המוליכים למחצה.

מקור: אריק פלנינגם

TSMC מתפתחת כעת לקראת ייצור שבבי סיליקון בארה"ב, בעיקר עם השקעה מסיבית בבתי היציקה החדשים שלה באריזונה.

ובכל זאת, TSMC היא גם מומחית בטרנזיסטורים מתקדמים מבוססי גרמניום ומוליכים למחצה אחרים.

אז בעוד שהחברה מרוויחה בעיקר משבבים מתקדמים וייצור חומרת בינה מלאכותית עבור חברות כמו Nvidia (NVDA ), זה יכול להיות גם אחד המרוויחים העיקריים מהתגלית ששיטות ייצור נפוצות של מוליכים למחצה יכולות לייצר שבבים בעלי ביצועים גבוהים, כולל כאלה המשתמשים בגרמניום.

(אתה יכול גם קראו עוד על ההיסטוריה והעסקים של TSM בדוח ההשקעות שלנו מוקדש לחברה.)

חדשות והתפתחויות אחרונות במניות TSMC (TSM)

מחקר שאליו התייחסו:

^{1. מירונוב, מ., בוגן, א., וסטודניקין, ש. (2025). ניידות חורים בגרמניום תחת מאמץ דחיסה על סיליקון עולה על 7 × 10⁶ סמ"רV⁻¹s⁻¹. חומרים היום, 90, 314-321. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.004}