Connect Four: Novo semicondutor para futuros chips de computador
Durante muito tempo, pensou-se que o fabrico desse material era praticamente impossível
Investigadores do Forschungszentrum Jülich e do Instituto Leibniz para a Microeletrónica Inovadora (IHP) desenvolveram um material que nunca existiu antes: uma liga estável de carbono, silício, germânio e estanho. O novo composto, abreviado como CSiGeSn, abre possibilidades interessantes para aplicações na interface da eletrónica, da fotónica e da tecnologia quântica.
O que torna este material especial é o facto de os quatro elementos, tal como o silício, pertencerem ao grupo IV da tabela periódica. Isto garante a compatibilidade com o método de fabrico padrão utilizado na indústria dos chips - o processo CMOS - uma vantagem crucial.
"Ao combinar estes quatro elementos, alcançámos um objetivo de longa data: o derradeiro semicondutor do Grupo IV", explica o Dr. Dan Buca do Forschungszentrum Jülich.
A nova liga permite ajustar as propriedades do material a um nível que possibilita componentes que ultrapassam as capacidades do silício puro - por exemplo, componentes ópticos ou circuitos quânticos. Estas estruturas podem ser integradas diretamente no chip durante o fabrico. A química estabelece limites claros neste domínio: apenas os elementos do mesmo grupo do silício se encaixam perfeitamente na estrutura cristalina da bolacha. Os elementos de outros grupos perturbam a estrutura sensível. O processo subjacente chama-se epitaxia, um processo-chave na tecnologia de semicondutores em que camadas finas são depositadas num substrato com precisão atómica.
Onde a ótica encontra a eletrónica
A equipa de Dan Buca, juntamente com vários grupos de investigação, já tinha conseguido combinar o silício, o germânio e o estanho para desenvolver transístores, fotodetectores, lasers, LEDs e materiais termoeléctricos. A adição de carbono permite agora um controlo ainda maior do intervalo de banda - o fator-chave que determina o comportamento eletrónico e fotónico.
"Um exemplo é um laser que também funciona à temperatura ambiente. Muitas aplicações ópticas do grupo do silício estão ainda a dar os primeiros passos", explica Dan Buca. "Há também novas oportunidades para o desenvolvimento de termoeléctricos adequados para converter o calor em energia eléctrica em vestíveis e chips de computador."
Elementos contrastantes na rede cristalina
Durante muito tempo, pensou-se que o fabrico de um material deste tipo era praticamente impossível. Os átomos de carbono são minúsculos, enquanto os átomos de estanho são grandes, e as suas forças de ligação são muito diferentes. Apenas através de ajustes precisos no processo de produção foi possível combinar estes opostos - utilizando um sistema industrial CVD da AIXTRON AG. Não foi necessário nenhum aparelho especial, apenas um equipamento semelhante ao que já é padrão no fabrico de chips.
O resultado: um material de alta qualidade com uma composição uniforme. Isto também levou ao primeiro díodo emissor de luz baseado nas chamadas estruturas de poços quânticos feitas com os quatro elementos - um passo importante para novos componentes optoelectrónicos.
O material oferece uma combinação única de propriedades ópticas sintonizáveis e compatibilidade com o silício", afirma o Prof. Dr. Giovanni Capellini do IHP, que trabalha com Dan Buca há mais de dez anos para explorar o potencial de aplicação dos novos semicondutores do Grupo IV. Giovanni Capellini, do IHP, que trabalha com Dan Buca há dez anos para explorar o potencial de aplicação dos novos semicondutores do Grupo IV. Os resultados foram publicados na revista Advanced Materials.
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Publicação 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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