Ученые из Forschungszentrum Jülich и Leibniz Institute for Innovative Microelectronics (IHP) создали материал, которого раньше не существовало — стабильный сплав углерода, кремния, германия и олова. Его сокращенно называют CSiGeSn, и он может совершить прорыв в электронике, фотонике и квантовых технологиях.

Результаты опубликованы в издании Advanced Materials.

Главное преимущество — все эти элементы относятся к одной группе периодической таблицы, как и кремний. Это значит, что материал совместим с стандартными методами производства микросхем, такими как CMOS-процесс.

Мы добились того, о чем давно мечтали — создали идеальный полупроводник IV группы, — говорит доктор Дан Бука из Forschungszentrum Jülich.

Новый сплав позволяет тонко настраивать свойства материала, что открывает двери для компонентов, которые не сделать из чистого кремния — например, оптических элементов или квантовых схем. Их можно интегрировать прямо в чип при производстве. Химия здесь ставит жесткие рамки: только элементы из той же группы, что и кремний, идеально встраиваются в кристаллическую решетку. Остальные разрушают структуру.

Где оптика встречается с электроникой

Команда Буки уже разрабатывала транзисторы, фотодетекторы, лазеры и термоэлектрические материалы на основе кремния, германия и олова. Добавление углерода дало еще больший контроль над запрещенной зоной — ключевым параметром, который определяет, как материал ведет себя в электронике и фотонике.

Запрещенная зона (band gap) — это минимальная энергия, которую нужно передать электрону, чтобы он перешел из валентной зоны в зону проводимости, превратив материал из изолятора в проводник. Чем она уже, тем легче материалу излучать свет (как в светодиодах), чем шире — тем стабильнее работа транзисторов.

Например, теперь можно сделать лазер, работающий при комнатной температуре. Многие оптические технологии на основе кремниевой группы еще в зачаточном состоянии, — объясняет Бука. — Также появляются новые возможности для термоэлектриков, которые преобразуют тепло в электричество — скажем, в носимой электронике или процессорах.

Противоположности в одной решетке

Долгое время такой материал считался почти невозможным. Атомы углерода крошечные, а олова — огромные, и их химические связи совершенно разные. Но с помощью точной настройки производственного процесса удалось соединить несовместимое — на стандартном оборудовании для CVD-осаждения от компании AIXTRON AG.

Результат — высококачественный материал с однородным составом. На его основе уже создали первый светодиод с квантовыми ямами из всех четырех элементов. Это важный шаг к новым оптоэлектронным компонентам.

Материал сочетает в себе настраиваемые оптические свойства и полную совместимость с кремнием, — говорит профессор Джованни Капеллини из IHP, который вместе с Букой уже более десяти лет исследует потенциал полупроводников IV группы. — Это основа для масштабируемых компонентов фотоники, термоэлектрики и квантовых технологий.

Что это даст на практике:

• Оптика на чипе — интеграция лазеров и детекторов прямо в микросхемы, что ускорит передачу данных.
• Энергоэффективность — термоэлектрики смогут использовать тепло от процессоров для питания датчиков.
• Квантовые технологии — более стабильные материалы для кубитов, которые не требуют экстремального охлаждения.

Пока неясно, насколько материал стабилен при длительной эксплуатации. Олово склонно к диффузии в кремнии, что со временем может ухудшать свойства. Также не факт, что производство будет дешевле, чем у современных III-V полупроводников.

Ранее ученые открыли новый тип органических полупроводников.