Silicio-germanio

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El SiGe o silicio-germanio, es una aleación con cualquier proporción molar de silicio y germanio, es decir, con una fórmula molecular de la forma Si1-xGex. Se utiliza habitualmente como material semiconductor en circuitos integrados (CI) para transistores bipolares de heterounión o como capa inductora de tensión para transistores CMOS. IBM introdujo esta tecnología en la fabricación general en 1989.[1]​ Esta tecnología relativamente nueva ofrece oportunidades en el diseño y la fabricación de circuitos integrados de señal mixta y circuitos analógicos. El SiGe también se utiliza como material termoeléctrico para aplicaciones de alta temperatura (>700 K).

Producción[editar]

El uso del silicio-germanio como semiconductor fue impulsado por Bernie Meyerson.[2]​ El reto que había retrasado su realización durante décadas era que los átomos de germanio son aproximadamente un 4% más grandes que los de silicio. A las altas temperaturas a las que se fabricaban los transistores de silicio, la tensión inducida por la adición de estos átomos más grandes al silicio cristalino producía un gran número de defectos, lo que impedía que el material resultante fuera útil. Meyerson y sus colaboradores descubrieron[3]​ que el requisito que se creía entonces de procesar a alta temperatura era erróneo, ya que permitía el crecimiento del SiGe a temperaturas suficientemente bajas[4]​ como para que, a efectos prácticos, no se formaran defectos. Una vez resuelto este obstáculo básico, se demostró que los materiales de SiGe resultantes podían utilizarse en electrónica de alto rendimiento[5]​ utilizando herramientas convencionales de procesamiento de silicio de bajo coste. Y lo que es más importante, el rendimiento de los transistores resultantes superó con creces lo que entonces se pensaba que era el límite de los dispositivos de silicio fabricados tradicionalmente, lo que permitió una nueva generación de tecnologías inalámbricas comerciales de bajo coste[6]​ como WiFi. Los procesos SiGe alcanzan costes similares a los de la fabricación de CMOS de silicio y son inferiores a los de otras tecnologías de heterounión como el arseniuro de galio. Recientemente, se han examinado los 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 el Ge de alta pureza, el SiGe y el silicio tenso.[7]​[8]​

Varias empresas de tecnología de semiconductores ofrecen servicios de fundición de SiGe. AMD reveló un desarrollo conjunto con IBM para una tecnología de silicio tensado SiGe,[9]​ orientada al proceso de 65 nm. TSMC también vende capacidad de fabricación de SiGe.

En julio de 2015, IBM anunció que había creado muestras de trabajo de transistores utilizando un proceso de silicio-germanio de 7 nm, prometiendo cuadruplicar la cantidad de transistores en comparación con un proceso contemporáneo.[10]​

Transistores de SiGe[editar]

El SiGe permite integrar la lógica CMOS con transistores bipolares de heterounión,[11]​ lo que lo hace adecuado para circuitos integrados de señal mixta.[12]​ Los transistores bipolares de heterounión tienen mayor ganancia directa y menor ganancia inversa que los transistores bipolares de homojunción tradicionales. Esto se traduce en un mejor rendimiento a baja corriente y alta frecuencia. Al tratarse de una tecnología de heterounión con un intervalo de banda ajustable, el SiGe ofrece la oportunidad de un ajuste más flexible del intervalo de banda que la tecnología de sólo silicio.

Silicio-germanio sobre aislante (SGOI) es una tecnología análoga a la de silicio sobre aislante (SOI) empleada actualmente en los chips informáticos. La SGOI aumenta la velocidad de los transistores de los microchips al tensar la red cristalina bajo la puerta del transistor MOS, lo que mejora la movilidad de los electrones y aumenta las corrientes de accionamiento. Los MOSFET de SiGe también pueden proporcionar menores fugas de unión debido al menor valor de banda prohibida del SiGe. Sin embargo, un problema importante de los MOSFET de SGOI es la incapacidad de formar óxidos estables con silicio-germanio utilizando el procesamiento de oxidación de silicio estándar.

Aplicación termoeléctrica[editar]

En las naves espaciales Voyager 1 y 2 se utilizó un dispositivo termoeléctrico de silicio-germanio MHW-RTG3.[13]​ También se utilizaron dispositivos termoeléctricos de silicio-germanio en otros MHW-RTG y GPHS-RTG a bordo de Cassini, Galileo, Ulysses.[14]​

Emisión de luz[editar]

Controlando la composición de una aleación hexagonal de SiGe, investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven desarrollaron un material que puede emitir luz.[15]​ En combinación con sus propiedades electrónicas, esto abre la posibilidad de producir un láser integrado en un único chip para permitir la transferencia de datos utilizando luz en lugar de corriente eléctrica, acelerando la transferencia de datos y reduciendo al mismo tiempo el consumo de energía y la necesidad de sistemas de refrigeración. El equipo internacional, cuyos autores principales son Elham Fadaly, Alain Dijkstra y Erik Bakkers, de la Universidad Tecnológica de Eindhoven (Países Bajos), y Jens Renè Suckert, de la Friedrich-Schiller-Universität Jena (Alemania), ha sido galardonado por la revista Physics World con el premio al avance del año 2020.[16]​

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. ↑ Ouellette, Jennifer (June/July 2002). "Silicon–Germanium Gives Semiconductors the Edge". Archivado el 17 de mayo de 2008 en Wayback Machine., The Industrial Physicist.
  2. ↑ Meyerson, Bernard S. (March 1994). «High-Speed Silicon-Germanium Electronics». Scientific American 270 (3): 62-67. Bibcode:1994SciAm.270c..62M. doi:10.1038/scientificamerican0394-62. 
  3. ↑ "Bistable Conditions for Low Temperature Silicon Epitaxy," Bernard S. Meyerson, Franz Himpsel and Kevin J. Uram, Appl. Phys. Lett. 57, 1034 (1990).
  4. ↑ B. S. Meyerson, "UHV/CVD growth of Si and Si:Ge alloys: chemistry, physics, and device applications," in Proceedings of the IEEE, vol. 80, no. 10, pp. 1592-1608, Oct. 1992, doi: 10.1109/5.168668.
  5. ↑ "75 GHz f t  SiGe Base Heterojunction Bipolar Transistor," G.L. Patton, J.H. Comfort, B.S. Meyerson, E.F. Crabbe, G.J. Scilla, E. DeFresart, J.M.C. Stork, J.Y.-C. Sun, D.L. Harame and J. Burghartz, Electron. Dev. Lett. 11, 171 (1990).
  6. ↑ "SiGe HBTs Reach the Microwave and Millimeter-Wave Frontier," C. Kermarrec, T. Tewksbury, G. Dave, R. Baines, B. Meyerson, D. Harame and M. Gilbert, Proceedings of the 1994 Bipolar/BiCMOS Circuits & Technology Meeting, Minneapolis, Minn., Oct. 10-11, 1994, Sponsored by IEEE, (1994).
  7. ↑ Woelk, Egbert; Shenai-Khatkhate, Deodatta V.; DiCarlo, Ronald L.; Amamchyan, Artashes; Power, Michael B.; Lamare, Bruno; Beaudoin, Grégoire; Sagnes, Isabelle (January 2006). «Designing novel organogermanium OMVPE precursors for high-purity germanium films». Journal of Crystal Growth 287 (2): 684-687. Bibcode:2006JCrGr.287..684W. doi:10.1016/j.jcrysgro.2005.10.094. 
  8. ↑ Shenai, Deo V.; DiCarlo, Ronald L.; Power, Michael B.; Amamchyan, Artashes; Goyette, Randall J.; Woelk, Egbert (January 2007). «Safer alternative liquid germanium precursors for relaxed graded SiGe layers and strained silicon by MOVPE». Journal of Crystal Growth 298: 172-175. Bibcode:2007JCrGr.298..172S. doi:10.1016/j.jcrysgro.2006.10.194. 
  9. ↑ AMD And IBM Unveil New, Higher Performance, More Power Efficient 65nm Process Technologies At Gathering Of Industry’s Top R&D Firms, retrieved at March 16, 2007.
  10. ↑ Markoff, John (9 de julio de 2015). «IBM Discloses Working Version of a Much Higher-Capacity Chip». The New York Times. 
  11. ↑ "A 200 mm SiGe HBT BiCMOS Technology for Mixed Signal Applications," K. Schonenberg, M. Gilbert, G.D. Berg, S. Wu, M. Soyuer, K. A. Tallman, K. J. Stein, R. A. Groves, S. Subbanna, D.B. Colavito, D.A. Sunderland and B.S. Meyerson," Proceedings of the 1995 Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, p. 89-92, 1995.
  12. ↑ Cressler, J. D.; Niu, G. (2003). Silicon-Germanium Heterojunction Bipolar Transistors. Artech House. p. 13. 
  13. ↑ «Thermoelectrics History Timeline». Alphabet Energy. Archivado desde el original el 17 de agosto de 2019. 
  14. ↑ G. L. Bennett, J. J. Lombardo, R. J. Hemler, G. Silverman, C. W. Whitmore, W. R. Amos, E. W. Johnson, A. Schock, R. W. Zocher, T. K. Keenan, J. C. Hagan, R. W. Englehart (26–29 June 2006). Mission of Daring: The General-Purpose Heat Source Radioisotope Thermoelectric Generator. 4th International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit (IECEC). San Diego, California. 
  15. ↑ Fadaly, Elham M. T.; Dijkstra, Alain; Suckert, Jens Renè; Ziss, Dorian; van Tilburg, Marvin A. J.; Mao, Chenyang; Ren, Yizhen; van Lange, Victor T.; Korzun, Ksenia; Kölling, Sebastian; Verheijen, Marcel A.; Busse, David; Rödl, Claudia; Furthmüller, Jürgen; Bechstedt, Friedhelm; Stangl, Julian; Finley, Jonathan J.; Botti, Silvana; Haverkort, Jos E. M.; Bakkers, Erik P. A. M. (April 2020). «Direct-bandgap emission from hexagonal Ge and SiGe alloys». Nature 580 (7802): 205-209. Bibcode:2020Natur.580..205F. PMID 32269353. S2CID 207870211. arXiv:1911.00726. doi:10.1038/s41586-020-2150-y. 
  16. ↑ Hamish Johnston (10 Dec 2020). «Physics World announces its Breakthrough of the Year finalists for 2020». Physics World. 

Otras lecturas[editar]

  • John D. Cressler (2007). Circuits and Applications Using Silicon Heterostructure Devices. CRC Press. ISBN 978-1-4200-6695-1. 
  • Raminderpal Singh; Modest M. Oprysko; David Harame (2004). Silicon Germanium: Technology, Modeling, and Design. IEEE Press / John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-66091-0. 

Enlaces externos[editar]

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