.
Nossa tecnologia de chip atual é amplamente baseada em silício. Apenas em componentes muito especiais é adicionada uma pequena quantidade de germânio. Mas há boas razões para usar maiores teores de germânio no futuro: O semicondutor composto silício-germânio tem vantagens decisivas sobre a tecnologia de silício atual em termos de eficiência energética e frequências de clock alcançáveis.
O principal problema aqui é estabelecer contatos entre metal e semicondutor em nanoescala de maneira confiável. Isso é muito mais difícil com uma alta proporção de germânio do que com silício. A equipe da TU Wien, no entanto, juntamente com as equipes de pesquisa de Linz e Thun (Suíça), mostrou agora que esse problema pode ser resolvido – com contatos feitos de alumínio cristalino de altíssima qualidade e um sofisticado sistema de camadas de silício-germânio. Isso permite diferentes propriedades de contato interessantes – especialmente para componentes optoeletrônicos e quânticos.
O problema do oxigênio
“Cada camada semicondutora é automaticamente contaminada em processos convencionais; isso simplesmente não pode ser evitado em nível atômico”, diz Masiar Sistani, do Instituto de Eletrônica de Estado Sólido da TU Wien. Em primeiro lugar, são os átomos de oxigênio que se acumulam muito rapidamente na superfície dos materiais – uma camada de óxido é formada.
Com o silício, no entanto, isso não é um problema: o silício sempre forma exatamente o mesmo tipo de óxido. “Com o germânio, no entanto, as coisas são muito mais complicadas”, explica Masiar Sistani. “Neste caso, há toda uma gama de diferentes óxidos que podem se formar. Mas isso significa que diferentes dispositivos nanoeletrônicos podem ter composições de superfície muito diferentes e, portanto, propriedades eletrônicas diferentes.”
Se você agora deseja conectar um contato metálico a esses componentes, você tem um problema: mesmo que você tente muito produzir todos esses componentes exatamente da mesma maneira, ainda existem diferenças inevitavelmente enormes – e isso torna o material complexo para alça para uso na indústria de semicondutores.
“A reprodutibilidade é um grande problema”, diz o Prof. Walter Weber, chefe do Institute for Solid State Electronics, TU Wien. “Se você usa germânio de silício rico em germânio, não pode ter certeza de que o componente eletrônico, depois de colocar os contatos nele, realmente terá as características que você precisa.” Como resultado, este material é usado apenas de forma limitada na produção de cavacos.
É uma pena, porque o germânio silício teria vantagens decisivas: “A concentração de portadores de carga é maior, especialmente os portadores de carga positiva, os chamados “buracos”, podem se mover muito mais eficientemente neste material do que no silício. permitem frequências de clock muito mais altas com maior eficiência energética do que nossos chips de silício atuais”, diz Lukas Wind, estudante de doutorado no grupo de pesquisa de Walter Weber.
A interface “perfeita”
Agora, no entanto, a equipe de pesquisa conseguiu mostrar como o problema pode ser resolvido: eles encontraram um método para criar interfaces perfeitas entre contatos de alumínio e componentes de silício-germânio em escala atômica. Em uma primeira etapa, um sistema de camadas é produzido com uma fina camada de silício e o próprio material a partir do qual os componentes eletrônicos serão feitos – o silício-germânio.
Ao aquecer a estrutura de forma controlada, pode-se agora criar um contato entre o alumínio e o silício: por volta de 500 graus Celsius, ocorre uma difusão distinta, os átomos podem deixar seu lugar e começar a migrar. Os átomos de silício e germânio se movem para o contato de alumínio de forma relativamente rápida, e o alumínio preenche o espaço vago.
“A dinâmica de difusão no sistema de camadas utilizado cria uma interface entre o alumínio e o germânio de silício com uma camada de silício extremamente fina no meio”, explica Masiar Sistani. Por meio desse processo de fabricação, os átomos de oxigênio nunca têm a oportunidade de chegar a essa interface atomicamente nítida e altamente pura.
“Nossos experimentos mostram que esses pontos de contato podem ser produzidos de maneira confiável e facilmente reproduzível”, diz Walter Weber. “Os sistemas tecnológicos que você precisa para fazer isso já estão sendo usados na indústria de chips hoje. Portanto, este não é apenas um experimento de laboratório, mas um processo que pode ser usado de forma relativamente rápida na indústria de chips.
A vantagem decisiva do processo de fabricação apresentado é que os contatos de alta qualidade podem ser produzidos independentemente da composição silício-germânio. “Estamos convencidos de que os contatos metal-semicondutor abruptos, robustos e confiáveis apresentados são altamente interessantes para uma variedade de novos dispositivos nanoeletrônicos, optoeletrônicos e quânticos”, diz Walter Weber.
.
