Исследователи из Исследовательского центра в Юлихе и Института инновационной микроэлектроники имени Лейбница (IHP) разработали новый материал — стабильный сплав углерода, кремния, германия и олова. Новое соединение, сокращённо обозначаемое как CSiGeSn, открывает захватывающие возможности для применения на стыке электроники, фотоники и квантовых технологий.
Особенность этого материала заключается в том, что все четыре элемента, как и кремний, принадлежат к IV группе периодической таблицы. Это обеспечивает совместимость со стандартным методом производства, используемым в полупроводниковой промышленности — процессом CMOS, что является решающим преимуществом.
«Объединив эти четыре элемента, мы достигли давней цели: создания идеального полупроводника IV группы», — объясняет доктор Дан Бука из Исследовательского центра в Юлихе. Исследование [опубликовано](https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202506919) в журнале Advanced Materials.
Новый сплав позволяет точно настраивать свойства материала до такой степени, что это делает возможным создание компонентов, превосходящих возможности чистого кремния, например, оптических компонентов или квантовых схем. Эти структуры могут быть интегрированы непосредственно на чип во время производства.
В химии здесь установлены чёткие ограничения: только элементы из той же группы, что и кремний, могут органично вписаться в кристаллическую решётку на пластине. Элементы из других групп нарушают чувствительную структуру. Основной процесс называется эпитаксия — ключевой процесс в технологии полупроводников, при котором тонкие слои наносятся на подложку с атомной точностью.
Команда доктора Буки вместе с различными исследовательскими группами уже добилась успеха в объединении кремния, германия и олова для разработки транзисторов, фотодетекторов, лазеров, светодиодов и термоэлектрических материалов. Добавление углерода теперь обеспечивает ещё больший контроль над запрещённой зоной — ключевым фактором, определяющим электронное и фотонное поведение.
«Примером может служить лазер, который также работает при комнатной температуре. Многие оптические приложения из группы кремния всё ещё находятся в стадии разработки», — объясняет доктор Бука. «Также открываются новые возможности для разработки подходящих термоэлектриков для преобразования тепла в электрическую энергию в носимых устройствах и компьютерных чипах».
Долгое время считалось, что производство такого материала практически невозможно. Атомы углерода крошечные, а атомы олова — большие, и их силы связи сильно различаются. Только благодаря точной настройке производственного процесса удалось объединить эти противоположности — с использованием промышленной системы CVD от AIXTRON AG. Для этого не требовалось специального оборудования, только оборудование, аналогичное тому, которое уже используется в производстве чипов.
Результатом стал высококачественный материал с однородным составом. Это также привело к созданию первого светоизлучающего диода на основе так называемых структур квантовых ям, изготовленных из всех четырёх элементов — важный шаг к созданию новых оптоэлектронных компонентов.
«Материал предлагает уникальное сочетание настраиваемых оптических свойств и совместимости с кремнием», — говорит профессор доктор Джованни Капеллини из IHP, который более 10 лет работает с доктором Букой, исследуя потенциал применения новых полупроводников IV группы. «Это закладывает основу для масштабируемых фотонных, термоэлектрических и квантовых технологических компонентов».
Предоставлено [Jülich Research Centre](http://www.fz-juelich.de/portal/DE/Home/home_node.html)