10.11.2022 - Technische Universität Wien

Chips de ordenador más rápidos y eficientes gracias al germanio

La Universidad Técnica de Viena ha conseguido fabricar un nuevo tipo de material utilizable en la tecnología de los chips. Esto permite crear ordenadores más rápidos y eficientes y nuevos tipos de dispositivos cuánticos.

Nuestra actual tecnología de chips se basa en gran medida en el silicio. Sólo en componentes muy especiales se añade una pequeña cantidad de germanio. Pero hay buenas razones para utilizar mayores contenidos de germanio en el futuro: El semiconductor compuesto de silicio-germanio tiene ventajas decisivas sobre la tecnología actual de silicio en términos de eficiencia energética y frecuencias de reloj alcanzables.

El principal problema 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 el silicio. Sin embargo, el equipo de la Universidad Técnica de Viena, junto con equipos de investigación de Linz y Thun (Suiza), ha demostrado que este problema puede resolverse, con contactos hechos de aluminio cristalino de altísima calidad y un sofisticado sistema de capas de germanio de silicio. Esto permite obtener diferentes e interesantes propiedades de contacto, especialmente para componentes optoelectrónicos y cuánticos.

El problema del oxígeno

"Toda capa de semiconductores se contamina automáticamente en los procesos convencionales; esto simplemente no puede evitarse a nivel atómico", afirma 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.

Con el silicio, sin embargo, esto no es un problema: el silicio siempre forma exactamente el mismo tipo de óxido. "En cambio, con el germanio las cosas son mucho más complicadas", explica Masiar Sistani. "En este caso, hay toda una gama de óxidos diferentes que se pueden formar. Pero eso significa que distintos dispositivos nanoelectrónicos pueden tener composiciones superficiales muy diferentes y, por tanto, propiedades electrónicas distintas."

Si ahora se quiere conectar un contacto metálico a estos componentes, se tiene un problema: aunque se intente por todos los medios producir todos estos componentes exactamente de la misma manera, sigue habiendo inevitablemente enormes 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", afirma el profesor Walter Weber, director del Instituto de Electrónica de Estado Sólido de la Universidad de Viena. "Si se utiliza germanio de silicio rico en germanio, no se puede estar seguro de que el componente electrónico, después de ponerle contactos, tenga realmente las características que se necesitan". Por ello, este material sólo se utiliza 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 positivos, los llamados "agujeros", pueden moverse con mucha más eficacia en este material que en el silicio. Por tanto, el material permitiría frecuencias de reloj mucho más altas con una mayor eficiencia energética que nuestros actuales chips de silicio", afirma Lukas Wind, estudiante de doctorado del grupo de investigación de Walter Weber.

La interfaz "perfecta

Ahora, sin embargo, el equipo de investigación ha podido demostrar cómo se puede resolver el problema: Han encontrado un método para crear interfaces perfectas entre los contactos de aluminio y los componentes de germanio de 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 van a fabricar los componentes electrónicos: el silicio-germanio.

Al calentar la estructura de forma controlada, se puede crear un contacto entre el aluminio y el silicio: A unos 500 grados Celsius, se produce una difusión distintiva, los átomos pueden abandonar su lugar y empezar a migrar. Los átomos de silicio y germanio se desplazan hacia el contacto de aluminio con relativa rapidez, y el aluminio llena el espacio que queda libre.

"La dinámica de difusión en el sistema de capas utilizado crea así una interfaz entre el aluminio y el germanio de silicio con una capa de silicio extremadamente fina entre ambos", explica Masiar Sistani. Gracias a este proceso de fabricación, los átomos de oxígeno nunca tienen la oportunidad de llegar a esta interfaz atómicamente nítida y altamente pura.

"Nuestros experimentos demuestran que estos puntos de contacto pueden producirse de forma fiable y fácilmente reproducible", afirma Walter Weber. "Los sistemas tecnológicos necesarios para ello ya se utilizan en la industria de los chips hoy en día. Por tanto, no se trata de un simple experimento de laboratorio, sino de un proceso que podría utilizarse 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 presentados, robustos y fiables, son muy interesantes para una gran variedad de nuevos dispositivos nanoelectrónicos, optoelectrónicos y cuánticos", afirma Walter Weber.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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