Основная проблема здесь заключается в надежном установлении контактов между металлом и полупроводником на наноуровне. Это гораздо сложнее при высокой доле германия, чем при использовании кремния. Однако команда из TU Wien вместе с исследовательскими группами из Линца и Туна (Швейцария) теперь показала, что эта проблема может быть решена - с помощью контактов, изготовленных из кристаллического алюминия чрезвычайно высокого качества, и сложной системы слоев кремний-германий. Это обеспечивает различные интересные контактные свойства - особенно для оптоэлектронных и квантовых компонентов.

Проблема с кислородом

"Каждый полупроводниковый слой автоматически загрязняется в обычных процессах; это просто невозможно предотвратить на атомном уровне", - говорит Масьяр Систани из Института твердотельной электроники в TU Wien. В первую очередь, это атомы кислорода, которые очень быстро накапливаются на поверхности материалов - образуется оксидный слой.

Однако с кремнием это не проблема: кремний всегда образует точно такой же вид оксида. "Однако с германием все гораздо сложнее", - объясняет Масьяр Систани. "В этом случае может образовываться целый ряд различных оксидов. Но это означает, что разные наноэлектронные устройства могут иметь очень разный состав поверхности и, следовательно, разные электронные свойства".

Если вы теперь захотите соединить металлический контакт с этими компонентами, у вас возникнет проблема: даже если вы очень постараетесь изготовить все эти компоненты абсолютно одинаковым способом, все равно неизбежно возникнут значительные различия - и это делает материал сложным в обращении для использования в полупроводниковой промышленности.

"Воспроизводимость - это большая проблема", - говорит проф. Вальтер Вебер, глава Института твердотельной электроники, ТУ Вена. "Если вы используете богатый германием кремний-германий, вы не можете быть уверены, что электронный компонент после того, как вы нанесете на него контакты, действительно будет обладать необходимыми вам характеристиками". В результате этот материал используется лишь в ограниченной степени при производстве чипсов.

Это жаль, потому что кремний-германий имел бы решающие преимущества: "Концентрация носителей заряда выше, особенно положительные носители заряда, так называемые "дырки", могут перемещаться гораздо эффективнее в этом материале, чем в кремнии. Таким образом, этот материал позволил бы использовать гораздо более высокие тактовые частоты с повышенной энергоэффективностью, чем наши нынешние кремниевые чипы", - говорит Лукас Винд, докторант исследовательской группы Уолтера Вебера.

"Идеальный" интерфейс

Однако теперь исследовательская группа смогла показать, как можно решить эту проблему: они нашли метод создания идеальных интерфейсов между алюминиевыми контактами и кремниево-германиевыми компонентами в атомном масштабе. На первом этапе создается многослойная система с тонким слоем кремния и фактическим материалом, из которого должны быть изготовлены электронные компоненты - кремний-германий.

Нагревая структуру контролируемым образом, теперь можно создать контакт между алюминием и кремнием: при температуре около 500 градусов Цельсия происходит характерная диффузия, атомы могут покинуть свое место и начать мигрировать. Атомы кремния и германия относительно быстро перемещаются в алюминиевый контакт, и алюминий заполняет освободившееся пространство.

"Динамика диффузии в используемой системе слоев, таким образом, создает границу раздела между алюминием и кремний-германием с чрезвычайно тонким слоем кремния между ними", - объясняет Масьяр Систани. Благодаря этому производственному процессу атомы кислорода никогда не имеют возможности попасть на эту атомарно острую и очень чистую поверхность раздела.

"Наши эксперименты показывают, что эти контактные точки могут быть созданы надежным и легко воспроизводимым способом", - говорит Вальтер Вебер. "Технологические системы, необходимые для этого, уже используются сегодня в индустрии чипов. Таким образом, это не просто лабораторный эксперимент, а процесс, который можно было бы относительно быстро использовать в производстве микросхем.

Решающим преимуществом представленного производственного процесса является то, что высококачественные контакты могут быть изготовлены независимо от кремниево-германиевого состава. "Мы убеждены, что представленные резкие, прочные и надежные контакты металл-полупроводник представляют большой интерес для множества новых наноэлектронных, оптоэлектронных и квантовых устройств", - говорит Вальтер Вебер.