السيليكون والجرمانيوم

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

السيليكون - الجرمانيوم ( SiGe ) ، أو SiGe ، هو سبيكة تتكون من أي نسبة مولية من السيليكون والجرمانيوم ، أي بصيغة جزيئية من الشكل Si₁₋ₓGeₓ . يُستخدم عادةً كمادة شبه موصلة في الدوائر المتكاملة ( ICs) لترانزستورات ثنائية القطب ذات الوصلات غير المتجانسة ، أو كطبقة مُحفزة للإجهاد في ترانزستورات CMOS . أدخلت شركة IBM هذه التقنية إلى التصنيع السائد عام 1989. [ 1 ] توفر هذه التقنية الحديثة نسبيًا فرصًا في تصميم وتصنيع الدوائر المتكاملة للإشارات المختلطة والدوائر التناظرية . يُستخدم السيليكون-الجرمانيوم أيضًا كمادة كهروحرارية للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية (>700 كلفن). 

تاريخ

نُشرت أول ورقة بحثية حول السيليكون والجرمانيوم عام 1955، وتناولت المقاومة المغناطيسية لسبائك السيليكون والجرمانيوم. [ 2 ] وكان أول ذكر لأجهزة السيليكون والجرمانيوم في براءة الاختراع الأصلية للترانزستور ثنائي القطب، حيث نوقشت فكرة قاعدة السيليكون والجرمانيوم في ترانزستور ثنائي القطب ذي وصلة غير متجانسة (HBT) مع وصف للفيزياء عام 1957. [ 3 ] ولم يُجرَ أول نمو طبقي لهياكل السيليكون والجرمانيوم غير المتجانسة، اللازمة للترانزستور، إلا عام 1975 على يد إريك كاسبر وزملائه في مركز أبحاث AEG (دايملر بنز حاليًا) في أولم، ألمانيا، باستخدام تقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE). [ 4 ]

إنتاج

كان بيرني مايرسون من أبرز الداعمين لاستخدام السيليكون-الجرمانيوم كمادة شبه موصلة . [ 5 ] تمثل التحدي الذي أخر تحقيق ذلك لعقود في أن ذرات الجرمانيوم أكبر بنحو 4% من ذرات السيليكون. عند درجات الحرارة العالية المعتادة لتصنيع ترانزستورات السيليكون، كان الإجهاد الناتج عن إضافة هذه الذرات الأكبر حجمًا إلى السيليكون البلوري يُنتج عددًا هائلًا من العيوب، مما يحول دون استخدام المادة الناتجة. اكتشف مايرسون وزملاؤه [ 6 ] أن الشرط الذي كان يُعتقد آنذاك بضرورة المعالجة عند درجات حرارة عالية كان خاطئًا، مما سمح بنمو السيليكون-الجرمانيوم عند درجات حرارة منخفضة بما يكفي [ 7 ] بحيث لم تتشكل أي عيوب عمليًا. بمجرد حل هذه العقبة الأساسية، تبين أنه يمكن تصنيع مواد السيليكون-الجرمانيوم الناتجة إلى إلكترونيات عالية الأداء [ 8 ] باستخدام أدوات معالجة السيليكون التقليدية منخفضة التكلفة . والأهم من ذلك، أن أداء الترانزستورات الناتجة تجاوز بكثير ما كان يُعتقد آنذاك أنه الحد الأقصى لأجهزة السيليكون المصنعة بالطرق التقليدية، مما أتاح ظهور جيل جديد من تقنيات الاتصالات اللاسلكية التجارية منخفضة التكلفة [ 9 ] مثل تقنية الواي فاي. وتحقق عمليات تصنيع السيليكون والجرمانيوم تكاليف مماثلة لتكاليف تصنيع CMOS السيليكوني، وهي أقل من تكاليف تقنيات الوصلات غير المتجانسة الأخرى مثل زرنيخيد الغاليوم . وقد تم مؤخرًا دراسة طليعة الجرمانيوم العضوي (مثل إيزوبوتيل جيرمان ، وثلاثي كلوريد ألكيل جيرمانيوم، وثلاثي كلوريد ثنائي ميثيل أمينو جيرمانيوم) كبدائل سائلة أقل خطورة للجرمانيوم في ترسيب MOVPE للأغشية المحتوية على الجرمانيوم، مثل الجرمانيوم عالي النقاء، والسيليكون والجرمانيوم، والسيليكون المشدود . [ 10 ] [ 11 ]

تُقدّم العديد من شركات تكنولوجيا أشباه الموصلات خدمات تصنيع رقائق السيليكون والجرمانيوم . وقد كشفت شركة AMD عن مشروع تطوير مشترك مع شركة IBM لتقنية السيليكون المُجهد المُصنّع بتقنية السيليكون والجرمانيوم، [ 12 ] بهدف الوصول إلى تقنية تصنيع 65  نانومتر. كما تبيع شركة TSMC أيضًا قدراتها التصنيعية في مجال السيليكون والجرمانيوم.

في يوليو 2015، أعلنت شركة IBM أنها صنعت نماذج عاملة من الترانزستورات باستخدام عملية السيليكون والجرمانيوم 7  نانومتر ، مما يعد بزيادة عدد الترانزستورات أربعة أضعاف مقارنة بالعملية المعاصرة. [ 13 ]

ترانزستورات SiGe

تتيح تقنية السيليكون-الجرمانيوم (SiGe) دمج منطق CMOS مع ترانزستورات ثنائية القطبية ذات وصلة غير متجانسة ، [ 14 ] مما يجعلها مناسبة للدوائر المتكاملة ذات الإشارات المختلطة . [ 15 ] تتميز الترانزستورات ثنائية القطبية ذات الوصلة غير المتجانسة بكسب أمامي أعلى وكسب عكسي أقل من الترانزستورات ثنائية القطبية التقليدية ذات الوصلة المتجانسة . وهذا يُترجم إلى أداء أفضل عند التيارات المنخفضة والترددات العالية. وباعتبارها تقنية ذات وصلة غير متجانسة وفجوة نطاق قابلة للتعديل ، توفر تقنية SiGe إمكانية ضبط فجوة النطاق بمرونة أكبر من تقنية السيليكون فقط.

تقنية السيليكون-الجرمانيوم على العازل (SGOI) هي تقنية مماثلة لتقنية السيليكون على العازل (SOI) المستخدمة حاليًا في رقائق الحاسوب. تعمل تقنية SGOI على زيادة سرعة الترانزستورات داخل الرقائق الدقيقة عن طريق إجهاد الشبكة البلورية أسفل بوابة ترانزستور MOS ، مما يؤدي إلى تحسين حركة الإلكترونات وزيادة تيارات التشغيل. كما يمكن لترانزستورات SiGe MOSFET أن توفر تسريبًا أقل عند الوصلة نظرًا لانخفاض قيمة فجوة النطاق لـ SiGe. [ 16 ] ومع ذلك، فإن إحدى المشكلات الرئيسية في ترانزستورات SGOI MOSFET هي عدم القدرة على تكوين أكاسيد مستقرة مع السيليكون-الجرمانيوم باستخدام عملية أكسدة السيليكون القياسية.

التطبيقات الكهروحرارية

تم قياس الخصائص الكهروحرارية لمركب السيليكون-الجرمانيوم لأول مرة عام 1964، حيث بلغت قيمة ZT لمركب السيليكون-الجرمانيوم من النوع p حوالي 0.7 عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية، بينما بلغت قيمة ZT لمركب السيليكون-الجرمانيوم من النوع n حوالي 1.0 عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية [ 17 ] ، وهما من بين المواد الكهروحرارية ذات الأداء العالي في درجات الحرارة المرتفعة. استُخدم جهاز كهروحراري من السيليكون-الجرمانيوم، وهو MHW-RTG3، في المركبتين الفضائيتين فوياجر 1 و 2 [ 18 ] . كما استُخدمت أجهزة كهروحرارية من السيليكون-الجرمانيوم في أجهزة MHW-RTG وGPHS-RTG الأخرى على متن مركبات كاسيني ، وجاليليو ، ويوليسيس [ 19 ] .

انبعاث الضوء

من خلال التحكم في تركيب سبيكة السيليكون-الجرمانيوم سداسية الشكل، طوّر باحثون من جامعة آيندهوفن للتكنولوجيا مادةً قادرة على إصدار الضوء. [ 20 ] وبالاقتران مع خصائصها الإلكترونية، يفتح هذا المجال إمكانية إنتاج ليزر مدمج في شريحة واحدة، مما يُمكّن من نقل البيانات باستخدام الضوء بدلاً من التيار الكهربائي، وبالتالي تسريع نقل البيانات مع تقليل استهلاك الطاقة والحاجة إلى أنظمة التبريد. وقد حاز الفريق الدولي، بقيادة المؤلفين إلهام فضلي، وآلان ديكسترا، وإريك باكرز من جامعة آيندهوفن للتكنولوجيا في هولندا، وجينس رينيه سوكيرت من جامعة فريدريش شيلر في يينا بألمانيا، على جائزة "الاختراق العلمي للعام 2020" من مجلة "فيزيكس وورلد" . [ 21 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ أويليت، جينيفر (يونيو/يوليو 2002). "السيليكون-الجرمانيوم يمنح أشباه الموصلات الأفضلية" . مؤرشف بتاريخ 17-05-2008 في أرشيف الإنترنت ، مجلة الفيزيائي الصناعي .
  2. ↑ جليكس مان، موريس (1955). "المقاومة المغناطيسية لسبائك الجرمانيوم والسيليكون" . مجلة Physical Review . 100 (4): 1146-1147 . Bibcode : 1955PhRv..100.1146G . doi : 10.1103/PhysRev.100.1146 .
  3. ↑ كرومر، هربرت (1957). "نظرية باعث ذي فجوة واسعة للترانزستورات". وقائع معهد مهندسي الراديو . 45 (11): 1535-1537 . doi : 10.1109/JRPROC.1957.278348 . ISSN 2162-6634 . 
  4. ↑ كاسبر، إريك؛ هيرتسوغ، هـ. ج.؛ كيبيل، هـ. (1975). "شبكة فائقة أحادية البعد من السيليكون والجرمانيوم مُنمّاة بتقنية الترسيب الطبقي في فراغ فائق" . الفيزياء التطبيقية . 8 (3): 199-205 . doi : 10.1007/BF00896611 . ISSN 1432-0630 . 
  5. ↑ مايرسون، برنارد س. (مارس 1994). "إلكترونيات السيليكون والجرمانيوم عالية السرعة". مجلة ساينتفك أمريكان . 270 (3): 62-67 . Bibcode : 1994SciAm.270c..62M . doi : 10.1038/scientificamerican0394-62 .
  6. ↑ "شروط ثنائية الاستقرار لنمو السيليكون في درجات الحرارة المنخفضة"، برنارد إس. مايرسون، فرانز هيمبسل وكيفن جيه. أورام، رسائل الفيزياء التطبيقية 57، 1034 (1990).
  7. ↑ BS 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.
  8. ↑ "75 GHz f t   SiGe Base Heterojunction Bipolar Transistor," GL Patton, JH Comfort, BS Meyerson, EF Crabbe, GJ Scilla, E. DeFresart, JMC Stork, JY-C. Sun, DL Harame and J. Burghartz, Electron. Dev. Lett. 11, 171 (1990).
  9. ↑ "SiGe HBTs Request 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, Min., Oct. 10-11, 1994, Spendored by IEEE, (1994).
  10. ↑ وولك، إيغبرت؛ شيناي-خاتخات، ديوداتا ف.؛ ديكارلو، رونالد ل.؛ أمامشيان، أرتاشيس؛ باور، مايكل ب.؛ لامار، برونو؛ بودوان، غريغوار؛ ساغنيس، إيزابيل (يناير 2006). "تصميم مواد أولية جديدة من الجرمانيوم العضوي بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار العضوي (OMVPE) لأغشية الجرمانيوم عالية النقاء". مجلة نمو البلورات . 287 (2): 684-687 . Bibcode : 2006JCrGr.287..684W . doi : 10.1016/j.jcrysgro.2005.10.094 .
  11. ↑ شيناي، ديو ف.؛ ديكارلو، رونالد ل.؛ باور، مايكل ب.؛ أمامشيان، أرتاشيس؛ جويت، راندال ج.؛ وولك، إيغبرت (يناير 2007). "بدائل أكثر أمانًا لسلائف الجرمانيوم السائلة لطبقات السيليكون-الجرمانيوم المتدرجة والمرخية والسيليكون المشدود بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني". مجلة نمو البلورات . 298 : 172-175 . Bibcode : 2007JCrGr.298..172S . doi : 10.1016/j.jcrysgro.2006.10.194 .
  12. ↑ كشفت شركتا AMD و IBM عن تقنيات معالجة جديدة ذات أداء أعلى وكفاءة طاقة أكبر بتقنية 65 نانومتر في تجمع لأفضل شركات البحث والتطوير في الصناعة ، تم الاطلاع عليه في 16 مارس 2007.
  13. ↑ ماركوف، جون (9 يوليو 2015). "شركة آي بي إم تكشف عن نسخة عاملة من شريحة ذات سعة أعلى بكثير" . صحيفة نيويورك تايمز .
  14. ↑ "تقنية SiGe HBT BiCMOS بحجم 200 مم لتطبيقات الإشارات المختلطة،" K. Schonenberg، M. Gilbert، GD Berg، S. Wu، M. Soyuer، KA Tallman، KJ Stein، RA Groves، S. Subbanna، DB Colavito، DA Sunderland و BS Meyerson،" وقائع اجتماع الدوائر والتكنولوجيا ثنائية القطب/BiCMOS لعام 1995، ص 89-92، 1995.
  15. ↑ كريسلر، جيه دي؛ نيو، جي. (2003). ترانزستورات ثنائية القطب ذات وصلة غير متجانسة من السيليكون والجرمانيوم . دار أرتيك هاوس. ص 13. 
  16. ↑ بول، دوغلاس ج. (2004). "الهياكل غير المتجانسة من السيليكون/السيليكون-الجرمانيوم: من المواد والفيزياء إلى الأجهزة والدوائر" (ملخص) . مجلة علوم وتكنولوجيا أشباه الموصلات ، 19 (10): R75– R108. رمز Bibcode : 2004SeScT..19R..75P . doi : 10.1088/0268-1242/19/10/R02 . S2CID 250846255. تاريخ الاسترجاع: 18 فبراير 2007 . 
  17. ↑ ديسموكس، جيه بي؛ إكستروم، إي؛ بيرز، دي إس؛ ستايغماير، إي إف؛ كودمان، آي. (1964). "الخواص الحرارية والكهربائية لسبائك الجرمانيوم-السيليكون المشوبة بشدة حتى 1300 كلفن" . مجلة التطبيقات . 35 (10): 2899. Bibcode : 1964JAP....35.2899D . doi : 10.1063/1.1713126 . ISSN 0021-8979 .  
  18. ↑ "الجدول الزمني لتاريخ الكهروحراريات" . شركة ألفابيت للطاقة . مؤرشف من الأصل بتاريخ 17-08-2019.
  19. ↑ جي إل بينيت؛ جيه جيه لومباردو؛ آر جيه هيملر؛ جي سيلفرمان؛ سي دبليو ويتمور؛ دبليو آر آموس؛ إي دبليو جونسون؛ إيه شوك؛ ​​آر دبليو زوشر؛ تي كيه كينان؛ جيه سي هاجان؛ آر دبليو إنجلهارت (26-29 يونيو 2006). مهمة جريئة: مولد الطاقة الكهروحرارية بالنظائر المشعة للأغراض العامة (ملف PDF) . المؤتمر والمعرض الدولي الرابع لهندسة تحويل الطاقة (IECEC). سان دييغو، كاليفورنيا.
  20. ↑ فضالي، إلهام مت. ديكسترا، آلان؛ سوكيرت، ينس رينيه؛ زيس، دوريان؛ فان تيلبورج، مارفن AJ؛ ماو، تشينيانغ؛ رن، ييزين؛ فان لانج، فيكتور T.؛ كورزون، كسينيا؛ كولينج، سيباستيان. فيرهيجن، مارسيل أ؛ بوسي، ديفيد؛ رودل، كلوديا. فورثمولر، يورغن. بشستدت، فريدهيلم؛ ستانجل، جوليان. فينلي، جوناثان J.؛ الأماكن القريبة : هافيركورت ، جوس إم . باكرز ، إريك بام (أبريل 2020). “انبعاث فجوة الحزمة المباشرة من سبائك Ge و SiGe السداسية”. طبيعة . 580 (7802): 205– 209. أرخايف : 1911.00726 . Bibcode : 2020Natur.580..205F . doi : 10.1038/s41586-020-2150-y . PMID: 32269353. S2CID : 207870211 .  
  21. ↑ هاميش جونستون (10 ديسمبر 2020). " مجلة عالم الفيزياء تعلن عن المرشحين النهائيين لجائزة الاختراق العلمي لعام 2020" . عالم الفيزياء .

للمزيد من القراءة

  • راميندربال سينغ؛ موديست م. أوبريسكو؛ ديفيد هارامي (2004). السيليكون الجرمانيوم: التكنولوجيا، والنمذجة، والتصميم . مطبعة IEEE / جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-66091-0.
  • جون د. كريسلر (2007). الدوائر والتطبيقات باستخدام أجهزة السيليكون غير المتجانسة . مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-1-4200-6695-1.
  • المواد الأولية للجرمانيوم لأشباه الموصلات السيليكونية المشدودة والمركبة ؛ مجلة أشباه الموصلات الدولية ، 1 أبريل 2006.