Кіріспе

SiGe (/sɪ/ɡ/iː/ немесе /sɪ/aɪ/dʒ/iː/), немесе кремний-германий – кремний мен германийдің кез келген молярлық қатынасындағы қорытпа, яғни Si1−xGex молекулалық формуласына ие. Ол көбінесе интегралдық схемаларда (IC) гетерожүйек биполярлық транзисторлар үшін жартылай өткізгіш материал ретінде немесе CMOS транзисторлары үшін кернеу тудыратын қабат ретінде қолданылады. IBM бұл технологияны 1989 жылы кең көлемді өндіріске енгізді. Бұл салыстырмалы түрде жаңа технология аралас сигналдық және аналогтық схемаларды жобалау мен өндіруде мүмкіндіктер ұсынады. SiGe сондай-ақ жоғары температурада (>700 K) қолдану үшін термоэлектрлік материал ретінде де қолданылады.

Өндіріс

Кремний-германийді жартылай өткізгіш ретінде қолдануды Берни Мейерсон жақтады. Оның іске асырылуын ондаған жылдар бойы тежеген қиындық – германий атомдары кремний атомдарынан шамамен 4% үлкендеу болды. Кремний транзисторларын жасау кезінде қолданылатын әдеттегі жоғары температурада, осы үлкен атомдарды кристалдық кремнийге қосу салдарынан туындаған кернеу көптеген ақауларға әкеп соқты, бұл нәтижеде алынған материалдың қолданылуын болдырмады. Мейерсон және оның әріптестері жоғары температурада өңдеу қажеттігі туралы бұрынғы түсінік қате екенін анықтады, бұл SiGe-нің барлық мақсаттар үшін ақаулардың пайда болуын болдырмайтын жеткілікті төмен температурада өсуіне мүмкіндік берді. Осы негізгі кедергіні шешкеннен кейін, алынған SiGe материалдарын дәстүрлі, төмен құнды кремний өңдеу құралдарын пайдалану арқылы жоғары өнімділіктегі электроникаға шығаруға болатыны көрсетілді. Сонымен қатар, алынған транзисторлардың өнімділігі дәстүрлі кремний құрылғыларының мүмкіндіктерінен асып, WiFi сияқты төмен құнды коммерциялық сымсыз технологиялардың жаңа буынының пайда болуына жағдай жасады. SiGe процестері кремний CMOS өндірісімен салыстырылатын құнға ие және галлий арсениді сияқты басқа гетероқосқыштарға қарағанда арзан. Жақында органогерманий прекурсорлары (мысалы, изобутилгерман, алкилгерманий трихлоридтері және диметиламиногерманий трихлоридтері) жоғары тазалықтағы Ge, SiGe және кернеулі кремний сияқты Ge қосылған қабаттарды MOVPE әдісімен жаулау үшін германға қарағанда қауіпсіз сұйық балама ретінде зерттелді. Бірнеше жартылай өткізгіш технология компаниялары SiGe құю қызметтерін ұсынады. AMD, 65 нм процесіне бағытталған SiGe кернеулі кремний технологиясын IBM-мен бірлесіп әзірлегенін жариялады. TSMC сондай-ақ SiGe өндірістік қуаттарын сатады. 2015 жылдың шілдесінде IBM 7 нм кремний-германий процесін пайдаланып, транзисторлардың жұмыс істейтін үлгілерін жасағанын хабарлады, бұл қазіргі процеске қарағанда транзисторлардың санын төрт есеге арттыруға мүмкіндік береді.

SiGe транзисторлары

SiGe CMOS логикасын гетеросуретті биполярлы транзисторлармен интеграциялауға мүмкіндік береді, бұл оны аралас сигналды интегралдық схемалар үшін қолайлы етеді. Гетеросуретті биполярлы транзисторлар дәстүрлі гомосуретті биполярлы транзисторларға қарағанда жоғары тікелей күшейтуге және төмен кері күшейтуге ие. Бұл төмен ток және жоғары жиілікте жақсы өнімділікке әкеледі. Гетеросуретті технология болып табылатын SiGe, кремний ғана технологиясына қарағанда жолақтық реттеуде көбірек икемділік мүмкіндігін ұсынады. Кремний-германий оқшаулағышта (SGOI) – қазіргі компьютерлік чиптерде қолданылатын оқшаулағыштағы кремний (SOI) технологиясына ұқсас технология. SGOI микрочиптердегі транзисторлардың жылдамдығын MOS транзистор қақпасы астындағы кристалл торды кернеу арқылы арттырады, нәтижесінде электронды жылдамдық жақсарып, жоғары ток күші пайда болады. SiGe MOSFET-тері SiGe-нің төмен жолақтық мәніне байланысты төменгі торап ағымын қамтамасыз ете алады. Дегенмен, SGOI MOSFET-терімен байланысты маңызды мәселе – стандартты кремний тотықтандыру процесін пайдаланып кремний-германиймен тұрақты оксидтер жасау мүмкін болмауы.

Термоэлектрлік қолдану

Кремний-германий термоэлектрлік құрылғысы MHW RTG3, Voyager 1 және 2 ғарыш кемелерінде қолданылды. Кремний-германий термоэлектрлік құрылғылары сондай-ақ Кассини, Галилео, Улисс ғарыш кемелеріндегі басқа MHW RTG және GPHS RTG генераторларында да пайдаланылды.

Жарық шығару

Эйндховен технология университетінің зерттеушілері алтыбұрышты SiGe қорытпасының құрамын бақылау арқылы жарық шығаратын материал жасады. Бұл, оның электрондық қасиеттерімен қоса, деректерді электр тогының орнына жарық арқылы жіберуге мүмкіндік беретін, бір чипке енгізілген лазер жасау жолын ашады, деректерді беру жылдамдығын арттырып, энергия тұтынуды және салқындату жүйелеріне қажеттілікті азайтады. Халықаралық команданың жетекші авторлары – Эльхам Фадали, Ален Дикстра және Эрик Баккерс (Эйндховен технология университеті, Нидерланды) және Йенс Рене Сукерт (Фридрих Шиллер университеті, Йена, Германия) Physics World журналының 2020 жылғы «Жылдың жаңалығы» сыйлығына ие болды.