Snellere en efficiëntere computerchips dankzij germanium

a) Schematische weergave van de Al-Si_1−xGe_x-Al heterostructuur na de thermisch geïnduceerde Al-Si_1−xGe_x aandelenbeurs. b) SEM-afbeelding in valse kleuren die een echt apparaat toont. De ingezoomde weergave toont een schema van de epitaxiaal gegroeide Si-Si_1−x. Credit: Klein (2022). DOI: 10.1002/smll.202204178

TU Wien (Wenen) is erin geslaagd een nieuw type materiaal bruikbaar te maken voor chiptechnologie. Dit maakt snellere, efficiëntere computers en nieuwe soorten kwantumapparaten mogelijk.

De huidige chiptechnologie is grotendeels gebaseerd op silicium. Alleen in zeer speciale componenten wordt een kleine hoeveelheid germanium toegevoegd. Maar er zijn goede redenen om in de toekomst hogere germaniumgehaltes te gebruiken: de samengestelde halfgeleider silicium-germanium heeft beslissende voordelen ten opzichte van de huidige siliciumtechnologie in termen van energie-efficiëntie en haalbare klokfrequenties.

Het belangrijkste probleem hierbij is om op nanoschaal op een betrouwbare manier contacten te leggen tussen metaal en halfgeleiders. Bij een hoog gehalte aan germanium is dit veel moeilijker dan bij silicium. Het team van TU Wien heeft nu echter, samen met onderzoeksteams uit Linz en Thun (Zwitserland), aangetoond dat dit probleem kan worden opgelost – met contacten van kristallijn aluminium van extreem hoge kwaliteit en een geavanceerd siliciumgermanium-lagensysteem. Dit maakt verschillende interessante contacteigenschappen mogelijk, vooral voor opto-elektronische en kwantumcomponenten.

Het probleem met zuurstof

“Elke halfgeleiderlaag wordt automatisch vervuild in conventionele processen; dit is op atomair niveau gewoon niet te voorkomen”, zegt Masiar Sistani van het Institute for Solid State Electronics van de TU Wien. Eerst en vooral zijn het zuurstofatomen die zich zeer snel ophopen op het oppervlak van de materialen – er wordt een oxidelaag gevormd.

Bij silicium is dit echter geen probleem: silicium vormt altijd precies dezelfde soort oxide. “Met germanium ligt het echter veel gecompliceerder”, legt Masiar Sistani uit. “In dit geval is er een hele reeks verschillende oxiden die zich kunnen vormen. Maar dat betekent dat verschillende nano-elektronische apparaten heel verschillende oppervlaktesamenstellingen en dus verschillende elektronische eigenschappen kunnen hebben.”

Als je nu een metalen contact op deze componenten wilt aansluiten, heb je een probleem: zelfs als je heel hard je best doet om al deze componenten op precies dezelfde manier te produceren, zijn er nog steeds onvermijdelijk enorme verschillen – en dat maakt het materiaal complex om te hanteren voor gebruik in de halfgeleiderindustrie.

“Reproduceerbaarheid is een groot probleem”, zegt prof. Walter Weber, hoofd van het Institute for Solid State Electronics, TU Wien. “Als je germaniumrijk siliciumgermanium gebruikt, weet je niet zeker of het elektronische onderdeel, nadat je er contacten op hebt gelegd, echt de eigenschappen zal hebben die je nodig hebt.” Hierdoor wordt dit materiaal slechts in beperkte mate gebruikt bij de chipproductie.

Dat is jammer, want siliciumgermanium zou doorslaggevende voordelen hebben: “De ladingsdragerconcentratie is hoger, vooral positieve ladingsdragers, de zogenaamde ‘gaten’, kunnen in dit materiaal veel efficiënter bewegen dan in silicium. Het materiaal zou daarom maken veel hogere klokfrequenties mogelijk met een verhoogde energie-efficiëntie dan onze huidige siliciumchips”, zegt Lukas Wind, een doctoraatsstudent in de onderzoeksgroep van Walter Weber.

De ‘perfecte’ interface

Nu heeft het onderzoeksteam echter kunnen laten zien hoe het probleem kan worden opgelost: ze hebben een methode gevonden om op atomaire schaal perfecte interfaces te creëren tussen aluminiumcontacten en siliciumgermaniumcomponenten. In een eerste stap wordt een lagensysteem geproduceerd met een dunne siliciumlaag en het eigenlijke materiaal waaruit de elektronische componenten moeten worden gemaakt: het siliciumgermanium.

Door de structuur op een gecontroleerde manier te verhitten, kan er nu een contact ontstaan ​​tussen het aluminium en het silicium: bij zo’n 500 graden Celsius treedt kenmerkende diffusie op, de atomen kunnen hun plaats verlaten en gaan migreren. Silicium- en germaniumatomen komen relatief snel in het aluminiumcontact en aluminium vult de vrijgekomen ruimte.

“De diffusiedynamiek in het gebruikte lagensysteem creëert zo een interface tussen aluminium en het siliciumgermanium met daartussen een extreem dunne siliciumlaag”, legt Masiar Sistani uit. Door dit fabricageproces krijgen zuurstofatomen nooit de kans om bij dit atomair scherpe en zeer zuivere grensvlak te komen.

“Onze experimenten laten zien dat deze contactpunten op een betrouwbare en gemakkelijk reproduceerbare manier kunnen worden geproduceerd”, zegt Walter Weber. “De technologische systemen die je hiervoor nodig hebt, worden tegenwoordig al gebruikt in de chipindustrie. Dit is dus niet alleen een laboratoriumexperiment, maar een proces dat relatief snel zou kunnen worden gebruikt in de chipindustrie.”

Het beslissende voordeel van het gepresenteerde productieproces is dat hoogwaardige contacten kunnen worden geproduceerd, ongeacht de silicium-germanium-samenstelling. “We zijn ervan overtuigd dat de gepresenteerde abrupte, robuuste en betrouwbare metaal-halfgeleidercontacten zeer interessant zijn voor een verscheidenheid aan nieuwe nano-elektronische, opto-elektronische en kwantumapparaten”, zegt Walter Weber.

Het onderzoek is gepubliceerd in Klein.