silicio-germanio

SiGe ( / ˈ s ɪ ɡ iː / o / ˈ s aɪ dʒ iː / ), o silicio-germanio , es una aleación con cualquier proporción molar de silicio y germanio , es decir, con una fórmula molecular de la forma Si _{1− x} Ge _x . Se utiliza comúnmente como material semiconductor en circuitos integrados (CI) para transistores bipolares de heterounión o como capa inductora de tensión para transistores CMOS . IBM introdujo la tecnología en la fabricación convencional en 1989. ^{[ 1 ]} Esta tecnología relativamente nueva ofrece oportunidades en el diseño y la fabricación de circuitos de señal mixta y circuitos analógicos . SiGe también se utiliza como material termoeléctrico para aplicaciones de alta temperatura (>700 K).

El primer artículo sobre SiGe se publicó en 1955 sobre la magnetoresistencia de aleaciones de silicio-germanio. ^{[ 2 ]} La primera mención de dispositivos de SiGe se encuentra en la patente original del transistor bipolar, donde se discutió la idea de una base de SiGe en un transistor bipolar de heterounión (HBT) con una descripción de la física en 1957. ^{[ 3 ]} El primer crecimiento epitaxial de heteroestructuras de SiGe, necesario para un transistor, no fue demostrado hasta 1975 por Erich Kasper y sus colegas en el Centro de Investigación AEG (ahora Daimler Benz) en Ulm, Alemania, utilizando epitaxia de haces moleculares (MBE). ^{[ 4 ]}

El uso de silicio-germanio como semiconductor fue impulsado por Bernie Meyerson . ^{[ 5 ]} El desafío que había retrasado su realización durante décadas era que los átomos de germanio son aproximadamente un 4 % más grandes que los átomos de silicio. A las altas temperaturas habituales a las que se fabricaban los transistores de silicio, la tensión inducida por la adición de estos átomos más grandes al silicio cristalino producía una gran cantidad de defectos, lo que impedía que el material resultante fuera útil. Meyerson y sus colaboradores descubrieron ^{[ 6 ]} que el requisito entonces creído de procesamiento a alta temperatura era erróneo, permitiendo el crecimiento de SiGe a temperaturas suficientemente bajas ^{[ 7 ]} como para que, a efectos prácticos, no se formaran defectos. Una vez resuelto ese obstáculo fundamental, se demostró que los materiales SiGe resultantes podían fabricarse en electrónica de alto rendimiento ^{[ 8 ]} utilizando herramientas convencionales de procesamiento de silicio de bajo coste . Más importante aún, el rendimiento de los transistores resultantes superó con creces lo que entonces se consideraba el límite de los dispositivos de silicio fabricados tradicionalmente, lo que permitió una nueva generación de tecnologías inalámbricas comerciales de bajo coste ^{[ 9 ]} como el WiFi. Los procesos SiGe alcanzan costos similares a los de la fabricación de CMOS de silicio y son más bajos que los de otras tecnologías de heteroestructuras como el arseniuro de galio . Recientemente, se han examinado precursores de organogermanio (por ejemplo, isobutilgermano , tricloruros de alquilgermanio y tricloruro de dimetilaminogermanio) como alternativas líquidas menos peligrosas al germano para la deposición MOVPE de películas que contienen Ge, como Ge de alta pureza, SiGe y silicio tensionado . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Varias empresas de tecnología de semiconductores ofrecen servicios de fundición de SiGe . AMD reveló un desarrollo conjunto con IBM para una tecnología de silicio sometido a tensión de SiGe, ^{[ 12 ]} dirigida al proceso de 65 nm. TSMC también vende capacidad de fabricación de SiGe.

En julio de 2015, IBM anunció que había creado muestras funcionales de transistores utilizando un proceso de silicio-germanio de 7 nm , prometiendo cuadruplicar la cantidad de transistores en comparación con un proceso contemporáneo. ^{[ 13 ]}

El SiGe permite integrar lógica CMOS con transistores bipolares de heterounión , ^{[ 14 ]} lo que lo hace adecuado para circuitos integrados de señal mixta . ^{[ 15 ]} Los transistores bipolares de heterounión tienen mayor ganancia directa y menor ganancia inversa que los transistores bipolares de homounión tradicionales. Esto se traduce en un mejor rendimiento a bajas corrientes y altas frecuencias. Al ser una tecnología de heterounión con una banda prohibida ajustable , el SiGe ofrece la oportunidad de una sintonización de banda prohibida más flexible que la tecnología de silicio puro.

El silicio-germanio sobre aislante (SGOI) es una tecnología análoga a la tecnología de silicio sobre aislante (SOI) que se emplea actualmente en los chips de computadora. SGOI aumenta la velocidad de los transistores dentro de los microchips al tensar la red cristalina bajo la puerta del transistor MOS , lo que resulta en una mayor movilidad de los electrones y corrientes de conducción más altas. Los MOSFET de SiGe también pueden proporcionar una menor fuga de unión debido al menor valor de banda prohibida del SiGe. ^{[ 16 ]} Sin embargo, un problema importante con los MOSFET de SGOI es la incapacidad de formar óxidos estables con silicio-germanio utilizando el procesamiento de oxidación de silicio estándar.

Las propiedades termoeléctricas del SiGe se midieron por primera vez en 1964, con el p-SiGe presentando un ZT de hasta ~0,7 a 1000 °C y el n-SiGe un ZT de hasta ~1,0 a 1000 °C ^{[ 17 ]} , que son algunos de los termoeléctricos de mayor rendimiento a altas temperaturas. Un dispositivo termoeléctrico de silicio-germanio, el MHW-RTG3, se utilizó en las naves espaciales Voyager 1 y 2. ^{[ 18 ]} Los dispositivos termoeléctricos de silicio-germanio también se utilizaron en otros MHW-RTG y GPHS-RTG a bordo de Cassini , Galileo y Ulysses . ^{[ 19 ]}

Al controlar la composición de una aleación hexagonal de SiGe, investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven desarrollaron un material que puede emitir luz. ^{[ 20 ]} En combinación con sus propiedades electrónicas, esto abre la posibilidad de producir un láser integrado en un solo chip para permitir la transferencia de datos mediante luz en lugar de corriente eléctrica, acelerando la transferencia de datos y reduciendo el consumo de energía y la necesidad de sistemas de refrigeración. El equipo internacional, con los autores principales Elham Fadaly, Alain Dijkstra y Erik Bakkers de la Universidad Tecnológica de Eindhoven en los Países Bajos y Jens Renè Suckert de la Universidad Friedrich Schiller de Jena en Alemania, fue galardonado con el premio Breakthrough of the Year 2020 por la revista Physics World . ^{[ 21 ]}

• Dieléctrico de baja κ
• Silicio sobre aislante
• Silicio-estaño
• Aplicación de materiales termoeléctricos de silicio-germanio en la exploración espacial.

• Raminderpal Singh; Modest M. Oprysko; David Harame (2004). Silicio-germanio: tecnología, modelado y diseño . IEEE Press / John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-66091-0.
• John D. Cressler (2007). Circuitos y aplicaciones que utilizan dispositivos de heteroestructura de silicio . CRC Press. ISBN 978-1-4200-6695-1.

• Precursores de germanio para silicio tensionado y semiconductores compuestos ; Semiconductor International , 1 de abril de 2006.