Новый четырехэлементный полупроводниковый сплав открывает перспективы для чипов будущего

Гетероструктуры CGeSn/GeSn MQWs. Автор: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202506919

Ученые из Исследовательского центра Юлиха и Института инновационной микроэлектроники имени Лейбница (IHP) разработали принципиально новый материал — стабильный сплав углерода, кремния, германия и олова. Соединение, обозначенное как CSiGeSn, открывает захватывающие перспективы для применения на стыке электроники, фотоники и квантовых технологий.

Особенность материала в том, что все четыре элемента, как и кремний, относятся к IV группе периодической таблицы. Это обеспечивает совместимость со стандартным методом производства в микрочиповой индустрии — CMOS-процессом, что является ключевым преимуществом.

«Комбинируя эти четыре элемента, мы достигли давней цели: создали идеальный полупроводник IV группы», — поясняет доктор Дан Бука из Исследовательского центра Юлиха.

Новый сплав позволяет тонко настраивать свойства материала, что открывает возможности для создания компонентов, недоступных для чистого кремния — например, оптических элементов или квантовых схем. Эти структуры можно интегрировать непосредственно в чип в процессе производства.

Химия накладывает четкие ограничения: только элементы из той же группы, что и кремний, могут бесшовно встраиваться в кристаллическую решетку. Элементы из других групп нарушают чувствительную структуру. Этот процесс называется эпитаксией — ключевой технологией в производстве полупроводников, где тонкие слои наносятся на подложку с атомарной точностью.

Доктор Дан Бука (слева) и Андреас Тидеманн (справа) у CVD-системы от AIXTRON, используемой для нанесения покрытий на пластины.

Долгое время создание такого материала считалось практически невозможным. Атомы углерода крайне малы, а атомы олова — крупные, и их силы связи сильно различаются. Только благодаря точной настройке производственного процесса удалось объединить эти противоположности — с использованием промышленной CVD-системы от AIXTRON AG. Для этого не потребовалось специального оборудования, только аппаратура, аналогичная уже используемой в производстве чипов.

Результатом стал высококачественный материал с однородным составом. Это также позволило создать первый светодиод на основе квантовых ям из всех четырех элементов — важный шаг к новым оптоэлектронным компонентам.

«Материал предлагает уникальное сочетание настраиваемых оптических свойств и совместимости с кремнием», — говорит профессор Джованни Капеллини из IHP, который более 10 лет сотрудничает с доктором Букой в исследовании потенциала новых полупроводников IV группы.

Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.

Дополнительная информация: Omar Concepción et al, Adaptive Epitaxy of C‐Si‐Ge‐Sn: Customizable Bulk and Quantum Structures, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202506919