Connect Four: un nuovo semiconduttore per i chip dei computer del futuro
Per molto tempo si è pensato che la produzione di un tale materiale fosse virtualmente impossibile
I ricercatori del Forschungszentrum Jülich e dell'Istituto Leibniz per la microelettronica innovativa (IHP) hanno sviluppato un materiale mai esistito prima: una lega stabile di carbonio, silicio, germanio e stagno. Il nuovo composto, abbreviato in CSiGeSn, apre interessanti possibilità di applicazione all'interfaccia tra elettronica, fotonica e tecnologia quantistica.
La particolarità di questo materiale è che tutti e quattro gli elementi, come il silicio, appartengono al gruppo IV della tavola periodica. Ciò garantisce la compatibilità con il metodo di produzione standard utilizzato nell'industria dei chip - il processo CMOS - un vantaggio cruciale.
"Combinando questi quattro elementi, abbiamo raggiunto un obiettivo di lunga data: il semiconduttore di gruppo IV definitivo", spiega il Dr. Dan Buca del Forschungszentrum Jülich.
La nuova lega permette di perfezionare le proprietà del materiale a un livello tale da consentire componenti che vanno oltre le capacità del silicio puro, ad esempio componenti ottici o circuiti quantistici. Queste strutture possono essere integrate direttamente nel chip durante la produzione. La chimica pone dei limiti ben precisi: solo gli elementi dello stesso gruppo del silicio si adattano perfettamente al reticolo cristallino del wafer. Gli elementi di altri gruppi disturbano la struttura sensibile. Il processo sottostante è chiamato epitassia, un processo chiave nella tecnologia dei semiconduttori in cui strati sottili vengono depositati su un substrato con precisione atomica.
Dove l'ottica incontra l'elettronica
Il team di Dan Buca, insieme a diversi gruppi di ricerca, era già riuscito a combinare silicio, germanio e stagno per sviluppare transistor, fotorivelatori, laser, LED e materiali termoelettrici. L'aggiunta del carbonio consente ora un controllo ancora maggiore sul band gap, il fattore chiave che determina il comportamento elettronico e fotonico.
"Un esempio è un laser che funziona anche a temperatura ambiente. Molte applicazioni ottiche del gruppo del silicio sono ancora agli inizi", spiega Dan Buca. "Ci sono anche nuove opportunità per lo sviluppo di termoelettriche adatte a convertire il calore in energia elettrica negli oggetti da indossare e nei chip dei computer".
Elementi contrastanti all'interno del reticolo cristallino
Per molto tempo si è pensato che produrre un materiale di questo tipo fosse praticamente impossibile. Gli atomi di carbonio sono minuscoli, mentre quelli di stagno sono grandi e le loro forze di legame sono molto diverse. Solo grazie a precise regolazioni del processo di produzione è stato possibile combinare questi opposti, utilizzando un sistema CVD industriale di AIXTRON AG. Non sono state necessarie apparecchiature speciali, ma solo attrezzature simili a quelle già in uso nella produzione di chip.
Il risultato: un materiale di alta qualità con una composizione uniforme. Questo ha portato anche al primo diodo a emissione luminosa basato sulle cosiddette strutture a pozzo quantico realizzate con tutti e quattro gli elementi, un passo importante verso nuovi componenti optoelettronici.
Il materiale offre una combinazione unica di proprietà ottiche sintonizzabili e compatibilità con il silicio", afferma il Prof. Dr. Giovanni Capellini dell'IHP, che da oltre dieci anni lavora con Dan Buca per esplorare il potenziale applicativo dei nuovi semiconduttori del Gruppo IV. Questo pone le basi per componenti fotonici, termoelettrici e di tecnologia quantistica scalabili". I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Advanced Materials.
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Pubblicazione originale
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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