Connect Four: nuevo semiconductor para los futuros chips informáticos
Durante mucho tiempo se pensó que fabricar un material así era prácticamente imposible
Investigadores del Forschungszentrum Jülich y del Instituto Leibniz de Microelectrónica Innovadora (IHP) han desarrollado un material que nunca antes había existido: una aleación estable de carbono, silicio, germanio y estaño. El nuevo compuesto, abreviado como CSiGeSn, abre interesantes posibilidades para aplicaciones en la interfaz de la electrónica, la fotónica y la tecnología cuántica.
Lo que hace especial a este material es que los cuatro elementos, al igual que el silicio, pertenecen al Grupo IV de la tabla periódica. Esto garantiza la compatibilidad con el método de fabricación estándar utilizado en la industria de los chips, el proceso CMOS, una ventaja crucial.
"Combinando estos cuatro elementos, hemos logrado un viejo objetivo: el semiconductor definitivo del Grupo IV", explica el Dr. Dan Buca, del Forschungszentrum Jülich.
La nueva aleación permite ajustar con precisión las propiedades del material hasta un grado que posibilita componentes más allá de las capacidades del silicio puro, por ejemplo, componentes ópticos o circuitos cuánticos. Estas estructuras pueden integrarse directamente en el chip durante su fabricación. La química establece límites claros: sólo los elementos del mismo grupo que el silicio encajan perfectamente en la red cristalina de la oblea. Los elementos de otros grupos perturban la estructura sensible. El proceso subyacente se denomina epitaxia, un proceso clave en la tecnología de semiconductores en el que se depositan capas finas sobre un sustrato con precisión atómica.
Donde la óptica se une a la electrónica
El equipo de Dan Buca, junto con varios grupos de investigación, ya había logrado combinar silicio, germanio y estaño para desarrollar transistores, fotodetectores, láseres, LED y materiales termoeléctricos. La adición de carbono proporciona ahora un control aún mayor sobre la brecha de banda, el factor clave que determina el comportamiento electrónico y fotónico.
"Un ejemplo es un láser que también funciona a temperatura ambiente. Muchas aplicaciones ópticas del grupo del silicio están aún en pañales", explica Dan Buca. "También hay nuevas oportunidades para el desarrollo de termoeléctricos adecuados para convertir el calor en energía eléctrica en wearables y chips informáticos".
Elementos contrastados en la red cristalina
Durante mucho tiempo se pensó que fabricar un material así era prácticamente imposible. Los átomos de carbono son diminutos, mientras que los de estaño son grandes, y sus fuerzas de enlace muy diferentes. Sólo mediante ajustes precisos en el proceso de producción fue posible combinar estos opuestos, utilizando un sistema industrial de CVD de AIXTRON AG. No se necesitaron aparatos especiales, sino equipos similares a los que ya se utilizan en la fabricación de chips.
El resultado: un material de alta calidad con una composición uniforme. De este modo se creó el primer diodo emisor de luz basado en las denominadas estructuras de pozo cuántico compuestas por los cuatro elementos, un paso importante hacia nuevos componentes optoelectrónicos.
El material ofrece una combinación única de propiedades ópticas sintonizables y compatibilidad con el silicio", afirma el profesor Giovanni Capellini, del IHP, que lleva más de diez años trabajando con Dan Buca para explorar el potencial de aplicación de los nuevos semiconductores del grupo IV. Esto sienta las bases de componentes fotónicos, termoeléctricos y de tecnología cuántica escalables". Los resultados se publicaron en la revista Advanced Materials.
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Publicación original
Omar Concepción, Ambrishkumar J. Devaiya, Marvin H. Zoellner, Markus A. Schubert, Florian Bärwolf, Lukas Seidel, Vincent Reboud, Andreas T. Tiedemann, Jin‐Hee Bae, Alexei Tchelnokov, Qing‐Tai Zhao, Christopher A. Broderick, Michael Oehme, Giovanni Capellini, Detlev Grützmacher, Dan Buca; "Adaptive Epitaxy of C‐Si‐Ge‐Sn: Customizable Bulk and Quantum Structures"; Advanced Materials, 2025-6-11
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