Le 08 novembre 2022
(Actualités Nanowerk) Notre technologie de puce actuelle est largement basée sur le silicium. Ce n'est que dans des composants très spéciaux qu'une petite quantité de germanium est ajoutée. Mais il y a de bonnes raisons d'utiliser des teneurs en germanium plus élevées à l'avenir : le composé semi-conducteur silicium-germanium présente des avantages décisifs par rapport à la technologie au silicium actuelle en termes d'efficacité énergétique et de fréquences d'horloge réalisables. Le principal problème ici est d'établir des contacts entre le métal et le semi-conducteur à l'échelle nanométrique de manière fiable. Ceci est beaucoup plus difficile avec une forte proportion de germanium qu'avec du silicium. Cependant, l'équipe de la TU Wien, en collaboration avec des équipes de recherche de Linz et de Thoune (Suisse), a maintenant montré que ce problème peut être résolu - avec des contacts en aluminium cristallin de très haute qualité et un système sophistiqué de couches de silicium-germanium. Cela permet différentes propriétés de contact intéressantes - en particulier pour les composants optoélectroniques et quantiques (Small, "Transport électrique dépendant de la composition dans Si1−xGex Nanofeuilles avec des contacts Al élémentaires monolithiques »).
Le problème de l'oxygène
« Chaque couche de semi-conducteur est automatiquement contaminée dans les processus conventionnels ; cela ne peut tout simplement pas être évité au niveau atomique », déclare Masiar Sistani de l'Institute for Solid State Electronics de la TU Wien. Ce sont avant tout des atomes d'oxygène qui s'accumulent très rapidement à la surface des matériaux – une couche d'oxyde se forme. Avec le silicium, cependant, ce n'est pas un problème : le silicium forme toujours exactement le même type d'oxyde. "Avec le germanium, cependant, les choses sont beaucoup plus compliquées", explique Masiar Sistani. « Dans ce cas, il existe toute une gamme d'oxydes différents qui peuvent se former. Mais cela signifie que différents dispositifs nanoélectroniques peuvent avoir des compositions de surface très différentes et donc des propriétés électroniques différentes. Si vous voulez maintenant connecter un contact métallique à ces composants, vous avez un problème : même si vous vous efforcez de produire tous ces composants exactement de la même manière, il y a toujours inévitablement des différences massives - et cela rend le matériau complexe à manipuler. pour une utilisation dans l'industrie des semi-conducteurs. "La reproductibilité est un gros problème", déclare le professeur Walter Weber, directeur de l'Institut d'électronique à semi-conducteurs, TU Wien. "Si vous utilisez du silicium-germanium riche en germanium, vous ne pouvez pas être sûr que le composant électronique, après y avoir mis des contacts, aura vraiment les caractéristiques dont vous avez besoin." Par conséquent, ce matériau n'est utilisé que dans une mesure limitée dans la production de puces. C'est dommage, car le silicium-germanium aurait des avantages décisifs : « La concentration en porteurs de charge est plus élevée, en particulier les porteurs de charge positifs, les soi-disant « trous », peuvent se déplacer beaucoup plus efficacement dans ce matériau que dans le silicium. Le matériau permettrait donc des fréquences d'horloge beaucoup plus élevées avec une efficacité énergétique accrue par rapport à nos puces en silicium actuelles », explique Lukas Wind, doctorant dans le groupe de recherche de Walter Weber.
L'interface "parfaite"
Maintenant, cependant, l'équipe de recherche a pu montrer comment le problème peut être résolu : ils ont trouvé une méthode pour créer des interfaces parfaites entre les contacts en aluminium et les composants en silicium-germanium à l'échelle atomique. Dans une première étape, un système de couches est produit avec une fine couche de silicium et le matériau à partir duquel les composants électroniques doivent être fabriqués - le silicium-germanium. En chauffant la structure de manière contrôlée, un contact peut maintenant être créé entre l'aluminium et le silicium : Vers 500 degrés Celsius, une diffusion caractéristique se produit, les atomes peuvent quitter leur place et commencer à migrer. Les atomes de silicium et de germanium entrent relativement rapidement dans le contact avec l'aluminium et l'aluminium remplit l'espace libéré. "La dynamique de diffusion dans le système de couches utilisé crée ainsi une interface entre l'aluminium et le silicium-germanium avec une couche de silicium extrêmement fine entre les deux", explique Masiar Sistani. Grâce à ce processus de fabrication, les atomes d'oxygène n'ont jamais la possibilité d'atteindre cette interface atomiquement nette et très pure. « Nos expériences montrent que ces points de contact peuvent être produits de manière fiable et facilement reproductible », déclare Walter Weber. "Les systèmes technologiques dont vous avez besoin pour ce faire sont déjà utilisés dans l'industrie des puces aujourd'hui. Il ne s'agit donc pas simplement d'une expérience de laboratoire, mais d'un processus qui pourrait être utilisé assez rapidement dans l'industrie des puces. L'avantage décisif du procédé de fabrication présenté est que des contacts de haute qualité peuvent être produits quelle que soit la composition silicium-germanium. "Nous sommes convaincus que les contacts métal-semi-conducteur abrupts, robustes et fiables présentés sont très intéressants pour une variété de nouveaux dispositifs nanoélectroniques, optoélectroniques et quantiques", déclare Walter Weber.
