得益于锗计算机芯片速度更快效率更高

TUWien(维也纳)成功地制造了一种可用于芯片技术的新型材料。这使得更快、更高效的计算机和新型量子设备成为可能。

当前的芯片技术主要基于硅。只有在非常特殊的组件中才会添加少量锗。但在未来使用更高的锗含量是有充分理由的：就能源效率和可实现的时钟频率而言，化合物半导体硅锗比当今的硅技术具有决定性的优势。

这里的主要问题是以可靠的方式在纳米尺度上建立金属和半导体之间的接触。高比例的锗比硅更难做到这一点。然而，TUWien的团队与来自林茨和图恩(瑞士)的研究团队一起，现在已经证明这个问题是可以解决的——用极高质量的结晶铝制成的触点和复杂的硅锗层系统。这实现了不同的有趣接触特性——尤其是对于光电和量子元件。

氧气的问题

“在传统工艺中，每个半导体层都会自动受到污染;这在原子水平上根本无法避免，”TUWien固态电子研究所的MasarSistani说。首先，是氧原子在材料表面快速积累——形成了一层氧化层。

然而，对于硅，这不是问题：硅总是形成完全相同的氧化物。“然而，对于锗来说，事情要复杂得多，”MasarSistani解释道。“在这种情况下，可以形成一系列不同的氧化物。但这意味着不同的纳米电子器件可以具有非常不同的表面成分，因此具有不同的电子特性。”

如果您现在想将金属触点连接到这些组件，您会遇到一个问题：即使您非常努力地以完全相同的方式生产所有这些组件，仍然不可避免地存在巨大差异——这使得材料难以处理用于半导体行业。

“可重复性是一个大问题，”TUWien固态电子研究所所长WalterWeber教授说。“如果你使用富含锗的硅锗，你无法确定电子元件在你接触后是否真的具有你需要的特性。”因此，这种材料在芯片生产中的使用范围有限。

遗憾的是，因为硅锗将具有决定性的优势：“电荷载流子浓度更高，尤其是正电荷载流子，即所谓的‘空穴’，在这种材料中的移动效率比在硅中高得多。因此，这种材料将与我们目前的硅芯片相比，它允许更高的时钟频率和更高的能源效率，”WalterWeber研究小组的博士生LukasWind说。

“完美”的界面

然而，现在，研究小组已经能够展示如何解决这个问题：他们找到了一种在原子尺度上在铝触点和硅锗组件之间创建完美界面的方法。在第一步中，使用薄硅层和制造电子元件的实际材料——硅锗来生产层系统。

通过以受控方式加热结构，现在可以在铝和硅之间建立接触：在大约500摄氏度时，会发生明显的扩散，原子可以离开它们的位置并开始迁移。硅和锗原子相对较快地进入铝触点，铝填充空出的空间。

“因此，所使用的层系统中的扩散动力学在铝和硅锗之间形成了一个界面，其间有一个极薄的硅层，”MasarSistani解释说。通过这个制造过程，氧原子永远没有机会到达这个原子级尖锐和高纯度的界面。

“我们的实验表明，这些接触点可以以可靠且易于重现的方式产生，”沃尔特韦伯说。“你需要的技术系统已经在今天的芯片行业中使用。所以，这不仅仅是一个实验室实验，而是一个可以在芯片行业相对快速使用的过程。”

所提出的制造工艺的决定性优势是无论硅锗成分如何，都可以生产高质量的触点。“我们相信，所呈现的突然、坚固和可靠的金属-半导体接触对于各种新的纳米电子、光电和量子器件来说是非常有趣的，”沃尔特韦伯说。