El silicio -germanio (SiGe, /ˈsɪɡiː/ o /ˈsaɪdʒiː /) 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 heterojunción 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 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).
El uso de silicio-germanio como semiconductor fue defendido por Bernie Meyerson [2] . El desafío que había retrasado su realización durante décadas fue 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 produjo una gran cantidad de defectos, lo que impidió que el material resultante fuera de cualquier uso. Meyerson y sus colaboradores descubrieron [3] que el entonces creído requisito de procesamiento a alta temperatura era defectuoso, permitiendo el crecimiento de SiGe a temperaturas suficientemente bajas [4] de modo que para todos los efectos prácticos no se formaran defectos. Una vez que se resolvió ese obstáculo básico, se demostró que los materiales de SiGe resultantes podían fabricarse en electrónica de alto rendimiento [5] utilizando conjuntos de herramientas de procesamiento de silicio de bajo costo convencionales . Más relevante aún, 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 costo [6] como WiFi. Los procesos de SiGe alcanzan costos similares a los de la fabricación de CMOS de silicio y son más bajos que los de otras tecnologías de heterounión como el arseniuro de galio . Recientemente, los precursores de organogermanio (por ejemplo, isobutilgermano , tricloruros de alquilgermanio y tricloruro de dimetilaminogermanio) se han examinado como alternativas líquidas menos peligrosas al germano para la deposición MOVPE de películas que contienen Ge, como Ge de alta pureza, SiGe y silicio colado . [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 estresado SiGe, [9] que apunta 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. [10]
SiGe permite que la lógica CMOS se integre con transistores bipolares de heterojunción , [11] lo que lo hace adecuado para circuitos integrados de señal mixta . [12] Los transistores bipolares de heterojunción tienen mayor ganancia directa y menor ganancia inversa que los transistores bipolares de homojunción tradicionales. Esto se traduce en un mejor rendimiento de baja corriente y alta frecuencia. Al ser una tecnología de heterojunción con un intervalo de banda ajustable , el SiGe ofrece la oportunidad de un ajuste de intervalo de banda más flexible que la tecnología de solo silicio.
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 ordenador. El SGOI aumenta la velocidad de los transistores dentro de los microchips al tensar la red cristalina bajo la compuerta del transistor MOS , lo que da como resultado una mejor movilidad de los electrones y corrientes de excitación más altas. Los MOSFET de SiGe también pueden proporcionar una menor fuga de unión debido al menor valor de banda prohibida del SiGe. [ cita requerida ] 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.
Un dispositivo termoeléctrico de silicio-germanio MHW-RTG3 se utilizó en las naves espaciales Voyager 1 y 2. [13] Los dispositivos termoeléctricos de silicio-germanio también se utilizaron en otros MHW-RTG y GPHS-RTG a bordo de Cassini , Galileo y Ulysses . [14]
Al controlar la composición de una aleación hexagonal de SiGe, los 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 solo chip para permitir la transferencia de datos utilizando luz en lugar de corriente eléctrica, acelerando la transferencia de datos al tiempo que se reduce 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 en la Universidad Tecnológica de Eindhoven en los Países Bajos y Jens Renè Suckert en la Friedrich-Schiller-Universität Jena en Alemania, recibió el premio Breakthrough of the Year 2020 de la revista Physics World . [16]