'Germanium is beter halfgeleideralternatief voor silicium dan grafeen'

Zeer dunne laagjes van het halfgeleidermateriaal germanium zouden in toekomstige generaties opto-elektrische circuits gebruikt kunnen worden. Het presteert beter dan silicium en is makkelijker te produceren dan grafeen.

Dankzij een nieuw proces om dunne laagjes germanium op een substraat aan te brengen, zou het halfgeleidermateriaal een alternatief voor silicium kunnen vormen. Bovendien zou het makkelijker verwerkbaar zijn dan grafeen, een vorm van koolstof die zich voor veel toepassingen als wondermateriaal heeft ontpopt. Grafeen is echter zeer lastig in massaproductieprocedés te gebruiken, omdat het materiaal zich moeilijk laat produceren.

De laagjes germanium van slechts één atoomlaag dik die door onderzoekers aan de universiteit van Ohio geproduceerd werden, zouden vergelijkbaar aan grafeen functioneren. De productie van dit enkellaags germanium, dat de onderzoekers germanaan noemen, is echter compatibel met bestaande halfgeleiderproductietechnieken. Dat zou een veel snellere adoptie van het germanaan mogelijk maken dan grafeen, dat slechts in kleine hoeveelheden in labs geproduceerd kan worden.

Het germanaan zou een vijfmaal hogere elektronenmobiliteit dan het bulkmateriaal germanium hebben en tienmaal de mobiliteit van silicium hebben. Bovendien heeft het materiaal een zogeheten band gap, wat het mogelijk geschikt maakt als lichtbron. Dat zou de inzetbaarheid van germanaan in elektro-optische schakelingen mogelijk maken. Het materiaal zou tevens in sensors ingezet kunnen worden.

Reacties (52)

[Otkurom]

een beter halfgeleider alternatief zal het niet zijn. Schakelingen worden altijd gemaakt in grote wafers waarin gebieden op een bepaalde manier gedoteerd moeten worden. Dat heeft dus niks te maken met 1 atoom dik laagje germanaan.
daarnaast is de bandgap van germanium juist kleiner dan die van silicium, dus bevat minder energie dus het is me ook een beetje de vraag waarom het beter zou werken in optische schakelingen.
Bovendien over diezelfde bandgap, in de silicium industrie hebben ze altijd al problemen met band gap narrowing, waarom zou je dan moedwillig overstappen op een atoom met een lagere bandgap?

de veel grotere elektronen mobiliteit is wel een enorm voordeel, dit zal zeker nuttig zijn in bepaalde schakelingen waarin warmteproductie en snelheid een rol spelen.

edit:
Lees net in het bron artikel dat ze een manier hebben gevonden om de traps die zich in de bandgap bevinden teniet te doen. dat zou het inderdaad geschikter maken om in een keer genoeg energie vrij te maken om een foton uit te zenden.

Ook jammer dat tweakers de bandgap van het nieuwe materiaal er niet bij heeft gezet, dat zou het een stuk begrijpelijker maken. De bandgap van puur germanium is 0.74eV, van het nieuwe materiaal is het 1.53eV (Si is 1.12eV)

[Reactie gewijzigd door Otkurom op 23 juli 2024 00:27]

[somososan]

Germanium is een beter materiaal voor optische schakelingen omdat in tegenstelling silicium germanium een directe bandgap heeft waardoor photonen makelijker gegenereed en geabsorbeer kunnen worden.

[Permutor]

Ja, inderdaad. Dat is een belangrijk verschil.
In de wiki artikelen over bandgap (NL en EN) vond ik niet terug zoals ik het 28 jaar geleden geleerd heb
Hier vindt je een uitleg met plaatjes over directe en indirecte bandgap in halfgeleiders.

[Reactie gewijzigd door Permutor op 23 juli 2024 00:27]

[Sten Vollebregt]

Ge wordt al jaren gebruikt samen met Si in chips: SiGe (IBM introduceerde het al in 1989 klik). Hierbij wordt het Ge gebruikt om een mechanische spanning in het Si kanaal te creëren, waardoor de mobiliteit van het Si omhoog gaat. Veel elementen die gebruikt worden in chips zijn (zeer) giftig: arseen, fosfor, indium, kobalt om er maar een paar te noemen. Naast halfgeleider worden bijvoorbeeld arseen en fosfor gebruikt als dotering om n en p gebietjes te maken. De hoeveelheden per chip zijn echter miniem, zeker ten opzichte van het bulk Si. Veel schade aan het milieu zal het dan ook niet geven, zeker omdat het sterk ingepakt zit binnenin de chip (met als kantekening dat de fabs natuurlijk wel netjes met hun afval moeten omspringen).

De halfgeleider industrie stapte trouwens massaal over op Si niet omdat Ge zo extreem duur was (is wat duurder dan Si, maar niet extreem in die tijd), maar omdat Si heel makkelijk een oxide vormt wat zeer goede eigenschappen heeft. Ge vormt ook wel een oxide, maar dit lost op in water bij kamertemperatuur. Dat maakt het schoonmaken van wafers lastig, en zorgt ervoor dat het materiaal door waterdamp wordt aangetast. Si heeft hier geen last van, ook al is het misschien een iets minder ideale halfgeleider tov Ge (link)

Dit is zeker een interessante ontwikkeling, een stuk interessanter dan grafeen als materiaal voor het kanaal. Aangezien grafeen gaan bangap heeft kan je een transistor in dat geval niet uit zetten. Een bandgap is wel te maken met wat trucjes, maar daardoor stort de hoge mobiliteit van grafeen keihard in. Zoiets als een monolaag Ge, of MoS2 om een andere kandidaat te noemen, wat wel een bandgap heeft samen met een hoge mobiliteit biedt veel meer perspectief.

[Reactie gewijzigd door Sten Vollebregt op 23 juli 2024 00:27]

[Verwijderd]

Leuk om hierover een bericht te lezen, ik recycleer namelijk Ge als beroep
Wij produceren voornamelijk voor de zonnecel en glasvezel industrie... Hopelijk dat dit wat nieuwe toepassingen aanbrengt zodat ik nog lang mijn job kan blijven doen
En btw, voor eens en altijd! Germanium-oxide of Germanium metaal is NON-toxic en 100% te recycleren!!!!!

De Pre-productie vorm die voor de glasvezel industrie gebruikt worden
is Germanium Tetrachloride die is gevaarlijk! Maar dan ook enkel omdat hier een SHITLOAD Chloor gas/HCL uitkomt (een lekje meegemaakt een aantal jaren geleden )
Of de ets vloeistof (azijnzuur) in combinatie met waterstoffluoride maar waterstoffluoride is altijd gevaarlijk

En btw de prijs is de laatste jaren ongeveer 1.000€ per kilo, toch niet zo laag vind ik...
A.t.m is de markt nu wat minder... Iedereen bespaart, en wij produceerden vooral voor militaire toepassingen, nachtvisie systemen/ wafers voor zonnecellen maar dan vooral de buitenaardse varianten namelijk voor op satellieten...

Hopelijk iedereen aan de germanium!

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 23 juli 2024 00:27]

[timaerts]

Uit bovenstaande tekst vermoed ik dat je 'EOM'-er bent in Olen

[Verwijderd]

Oh shit "u blew my cover!"

[papa_san]

Men vraagt zich wat dingen kosten. Leuk en aardig, ook het milieu en zo.

Koolstof, silicium en ook germanium kosten van bijna niets tot niet veel. :-)

Zuiver en bijna monokristallijn silicium voor wafers, grafeen (geen microscopische stukjes) en zuiver germanium, zijn volgens mij allemaal heel duur.

Nu meende ik dat eerder, silicium met germanium wordt gedoteerd om een halfgeleider te worden. Je hebt daar volgens mij niet veel Ge voor nodig.

Met de nieuwe techniek beschreven in het artikel wordt er een laagje van 1 atoom dik aangebracht. De hoeveelheden Ge nodig, zullen dus ook niet echt groot zijn.

Met andere worden. De kostprijs vd materialen is niet relevant.
Het gaat om het productie proces.
Ze kunnen met de Ge iets doen (op industrieel niveau) wat ze met grafeen (nog) niet lukt.

En voor wij ooit iets van een nieuwe technologie merken is pas als het op industrieel niveau toepasbaar is.

Als we ooit in de toekomst onze chips op nano schaal gaan bouwen dan staat ons nog een heel scala aan nieuwe mogelijkheden te wachten.

[Verwijderd]

En gezien de gemiddelde korte tijd voor EOL van de meeste gadget producten van vandaag de dag...

Welk materiaal heeft het minste impact op het milieu? of kan makkelijk hergebruikt worden?

Dat lijken me wel relevante vragen.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 23 juli 2024 00:27]

[Verwijderd]

Germanium is niet gevaarlijk voor zoogdieren, wel voor sommige bacterien. Maar niet echt anti-bacterieel.

Wat wel vervelend is, is dat het grootste deel van het Germanium komt uit China. (Wiki: About 118 tonnes of germanium was produced in 2011 worldwide, mostly in China (80 t), Russia (5 t) and United States (3 t))
En dat zou ons afhankelijk maken.... Of we zoeken wat verder en gaan het zelf produceren.

Wel grappig dat de eerste transistoren uit Germanium bestonden, toen silicium, en nu mogelijk weer terug naar af.

[Permutor]

Ja klopt. De eerste transistoren waren germanium, en best problematisch. Ze gingen niet lang mee, en waren bepaald niet geschikt voor grotere vermogens.

Een voordeel was wel de lagere spanningval van 0.2~0.3V t.o.v. 0.6~0.7V bij Silitium.

Een van de redenen dat transistoren uit die tijd niet lang meegingen was dat het basis materiaal niet zuiver genoeg was. Daar is natuurlijk een enorme sprong gemaakt..

Wat ik me nu afvraag:Als het laagje Germanium slechts 1 atoom dik is, gaat de migratie van atomen door het materiaal dan niet problematisch worden? Krijg je dan niet redelijk snel te maken met degeneratie van de halfgeleiders, en dus falen van de chips?

[webcamjan]

Ik moet de eerste transistor nog tegenkomen die uit zichzelf de geest eraan gaf door ouderdom.

Nog veel spullen werken nog hoor uit die tijd. Ik heb hier nog wel splinternieuwe onderdelen liggen in een buisje, (OM serie, wie wat bewaard heeft wat) en die transistoren zouden niet meer werken omwille van ouderdom en verval.? Verval ja maar zo snel nu ook weer niet. Dat overleven we wel en is vervangen van iets op basis van duurzaamheid toegestaan (+25jaar).
Gelukkig hebben we nu Silicium dat gaat langer mee dan germanium, alleen flikkeren we die zooi na 2 jaar weg omdat "het abbo van de mobiel afloopt".

In huidige onderdelen wordt het ook nog gebruikt hoor, juist om die lage drempel drempel. Heel wat meetdetectors (HF) gemaakt juist met deze dioden omwille de gevoelligheid die erdoor beter ging worden.

[mae-t.net]

Transistoren uit de OM-serie? Dat waren IC's (ja echt), dus ik denk dat je OC en OD bedoelt. Die waren overwegend germanium.

Zijn het echt OM's dan is dat toch iets om zuinig op te zijn, want dat is helemaal uit de begintijd van het IC. Ook interesant zijn de types met OM achter het typeummer (die zijn soms iets nieuwer maar op een paar uitzonderingen na nooit voor massaproductie bestemd, alleen soms nam Philips een apparaat in productie waar zoiets in terecht kwam - nu vaak lastig te repareren zonder precies dat IC).

Splinternieuw zal er weinig migreren aan germanium of silicium, maar bij belasting kunnen halfgeleiders wel echt slijten, al zal dat in de meeste gevallen extreem langzaam gaan.

Overigens, wat wel wil migreren is het zuivere tin waarmee transistorhuisjes vaak bewerkt werden. Berucht zijn de OC170, OC171, AF114 t/m AF117. Heel vooruitstrevend van Philips om toen al RoHS-conforme transistoren te maken, maar die zijn nu vaak al stuk terwijl ze nooit gebruikt zijn. Dan mag je eerst dendrieten gaan wegbranden en tikken voor je de nieuwe oude tor nog kunt gebruiken.

[Reactie gewijzigd door mae-t.net op 23 juli 2024 00:27]

[General_Snuss]

Kleine kantekening hierbij:

1. Er is bijna geen markt voor germanium, er zijn geen germanium mijnen, dit is een bijproduct wat meestal verdwijnt in de tailings. Totale wereldproductie is ook maar 4 vrachtwagens vol.
2. Prijs is laag en zo snel te zien op het moment fixed.

[Sissors]

Moet zeggen dat dat me verbaast gezien germanium al best veel in de halfgeleiderindustrie wordt gebruikt. BiCMOS processen gebruiken vaak (altijd?) germanium. Granted het zullen geen grote getallen zijn wat je nodig hebt voor een chipje, maar het heeft wel degelijk een nut al.

[bramfm]

BiCMOS bestaat uit 2 technieken namelijk Bipolair en Cmos en hoeft dus geen Germanium te bevatten. Je kan op een BiCMOS "die" dus bipolaire (NPN/PNP) transistoren en MOSFETS tegenkomen. Dit is een duurder process vanwege de vele complexe process stappen en wordt voornamelijk voor HF doeleinden gebruikt.
Met de komst van RF-CMOS is het voor huis, tuin en keuken gebruik geminimaliseerd (bv bluetooth en wifi).

NXP noemt haar BiCMOS process QUBIC. QUBIC4X(i), het nieuwste BiCMOS van NXP, heeft een Germanium option.

[-Tom]

Sowieso komen veel van de 'zeldzame aarden' al uit China. Deze spelen een grote rol bij de productie van de hedendaagse elektronicaproducten. Deze kwestie is overigens al redelijk vaak voorbij gekomen op Tweakers.net:

Januari 2010 - nieuws: China zet rem op export zeldzame aardmetalen
Mei 2011 - nieuws: Investeerders verwachten overschot zeldzame aardmetalen
April 2012 - nieuws: Japan wil in Kazachstan zeldzame aardmetalen delven
Augustus 2012 - nieuws: China gaat productie van aardmetalen verder beperken
Oktober 2012 - nieuws: Delver van zeldzame aardmetalen legt productie maand stil

Tot zover een korte geschiedenis van China als handelspartner..

[General_Snuss]

Germanium is geen zeldzame aarde of REE. (rare earth element)

[Martinspire]

Het is natuurlijk even afwachten hoe populair dit gaat worden. Ik kan me niet voorstellen dat het ook alleen in China op te halen is, maar gezien de gebrekkige vraag tot nog toe is het nog niet rendabel geweest. Zodra de prijs omhoog gaat door de toegenomen vraag zal het ook wel wat lokaler te verkrijgen zijn lijkt me.

[Verwijderd]

En ik maar denken dat het alleen in Duitsland te vinden was.

Maar soms is de verklaring eenvoudiger dan gedacht

Germanium: Deze hoofdstof werd in 1886 uit argyrodiet afgezonderd door Winkler, die het de naam germanium gaf naar zijn vaderland Duitsland

[webcamjan]

Wel heel vreemd ja.

Nieuw was toch altijd beter roept een groot aantal mensen, want vooruitgang.

Germanium is dan wel al heel oud maar zoals je nu ziet is stilstand niet gelijk achteruitgang. -matteriaal keuze-

[sjaakwortel]

Met deze materialen gaat het om zo'n kleine hoeveelheid dat ik denk dat dat weinig impact zal hebben.

[McGryphon]

Germanium kan in kleine hoeveelheden schadelijk zijn, maar enkel wanneer je het combineert met waterstof of fluor waarna irriterend gas respectievelijk vloeistof ontstaat. Maar aangezien de meeste mensen nooit met fluor werken en ook waterstof bij voldoende druk en temperatuur om met Germanium te reageren vrij weinig wordt gebruikt zal het inderdaad meevallen met het risico.

Germanium zelf is geen serieuze bedreiging voor het milieu, maar het productieproces ben ik onvoldoende bekend mee om er uitspraken over te doen.

[freaky]

Ik denk dat je 7.000.000.000 mensen redelijk onderschat. Laatste verwachting is geloof ik 50.000.000.000 mensen in 2050. Op dergelijke schaal is een klein beetje per stuk nog niet te onderschatten hoor.

[BitsThatByte.nl]

*off topic

Huidige wereldbevolking is zo'n 7.110.200.000.
De laatste schattingen gedaan door de VN in het 2010 rapport zijn verdeeld 5 scenarios.
Zelfs de hoogste schatting komt in 2050 op 'slechts' 10.6 miljard mensen.

Bij het jaar 2100 zou de hoogste schatting op bijna 27 miljard mensen komen, ware het niet dat 42% van de wereldbevolking woont in lage vruchtbaarheid landen. Dat wil zeggen landen waar vrouwen niet genoeg kinderen krijgen om ervoor te zorgen dat, gemiddeld, elke vrouw is vervangen door een dochter die overleeft tot de leeftijd van voortplanting oftewel dysgenetica.

[Jasper Janssen]

Dat kleine beetje germanium valt in het niet bij de andere dingen die in een device zitten in grote hoeveelheden.

[Verwijderd]

Zolang het maar recyclebaar is. Doen we nu ook met onze apparatuur.

[Cadmus]

Dit is zeker een mooie gedachte, jammer dat er bij de productie nu 0 komma 0 rekening mee wordt gehouden. Het moet zo goedkoop en snel mogelijk, en wat er gebeurd na EOL is niet de zorg van producenten.

[Verwijderd]

het is volgens mij duurder dan goud dus geloof me deze CPU's worden net als alle oude pentiums 486's en pentium pro's geliefde recycle producten

[mae-t.net]

Ik betwijfel zeer sterk of het duurder is dan goud. Het is wel duurder dan silicium, omdat je dat laatste in "ertsvorm" gewoon met een schepje op het strand kan halen.

Overigens is germanium gedurende een jaar of 30 in het verleden al het populairste halfgeleidermateriaal geweest om transistoren en dioden mee te construeren. Dat transistoren toen nog duur waren, lag meer aan de productietechnieken dan aan de materialen.

[kwinvdv]

Ik heb het even opgezocht en germanium is zo rond de 1000 dollar per kilo, goud is ongeveer 50 keer zo duur.

Ik zat ook nog even te kijken hoe duur grafeen is als grondstof, dus in de vorm van grafiet. Maar deze kon ik niet zo makkelijk vinden aangezien er grote kwaliteitsverschil in zit want het wordt bijvoorbeeld ook in potloden gebruikt. Maar volgens mij ligt deze wel onder de prijs van germanium (in 2000 koste synthetisch grafeen ongeveer 2 dollar per kilo). Echter the productie kosten van grafiet zullen hier wel een grotere rol in spelen.

[Reactie gewijzigd door kwinvdv op 23 juli 2024 00:27]

[Nox]

Ik heb het even opgezocht en geranium is zo rond de 1000 dollar per kilo, goud is ongeveer 50 keer zo duur.

Geraniums haal je voor 2 euro per stuk bij de bouwmarkt of benzinepomp ofzo...

[bonus]

Maar meestal is het eerste waar ze naar kijken is de prijs. Dat merk ik bij ons ook, recyclen en renewable zijn de toverwoorden. Maar als het te duur wordt laat het dan maar

[Pixxel]

Recycling en herwinning van grondstoffen zijn weliswaar belangrijk, maar ik denk dat zeker ook de impact die de winning van een basishoeveelheid van een materiaal niet over het hoofd gezien moet worden.

[Cergorach]

Germanium is heel prijzig, vraag me af of dit een significante impact op elektronica gaat hebben.

[Verwijderd]

Geen effect, een laagje van 1 atoom dik is nagenoeg niets.

[Damic]

Nee het is Germanaan dit kan in het lab gemaakt worden zoals grafeen

[supersnathan94]

ja maar daar is natuurlijk wel germaninium zelf voor nodig. En dan wordt het dus ineens wel een dure business. Maargoed. voor de huidige smartphones is een chiplevensduur van 5 jaar in feite al genoeg. Na twee jaar issie al "traag".

[Verwijderd]

euh ze waren in het verleden blij dat silicium te gebruiken was als halfgeleidermateriaal omdat germanium schaars en dus duurder is ...

[Verwijderd]

Het is goed dat mensen bezorgd zijn over milieuaspecten. Ik vraag me af of het niet nog beter zou zijn om een materiaal te gebruiken dat wat minder zeldzaam is, goedkoper dus en niet in voornamelijk een land gewonnen wordt.

Eigenlijk is het raar dat bij het uitvinden van nieuwe techniek geen rekening gehouden wordt met de politieke aspecten waaronder die van afhankelijkheid van een land. Germanium mag beter presteren, maar andere dingen zijn ook belangrijk. In principe lijkt me grafeen een betere oplossing.

Men zou dus beter grafeen makkelijker produceerbaar kunnen maken. Koolstof is immers niet zeldzaam.

Men maakt zich zorgen over China's beroerde manier van omgaan met mensen, sweatshops en zo? Maar men gaat wel weer iets ontwikkelen dat ons weer in een situatie brengt van pikken en slikken van China's mensenrechtenschendingen.

Want die paar ton die amerika produceert zal niet genoeg zijn? En dat land is ook niet wars van mensenrechtenschendingen.

[Ohmarinus]

Vraag me af of grafeen echt zo moeilijk te produceren is, of dat ze dat alleen maar zeggen omdat ze op grafeen weinig winst denken te maken.

Sowieso lijkt het mij beter dat ze gaan onderzoeken hoe ze grafeen dan op grotere schaal makkelijker kunnen produceren ipv overstappen op iets nieuws.

[mutley69]

Germanium is hypergiftig - dus eigenlijk wil je dat absoluut vermijden als halfgeleider.

[Permutor]

Puur Germanium is niet giftig bij inname door de mond, vooral omdat het niet in water oplosbaar is. Beetje vergelijkbaar met kwik. Als je dat in vloeibare vorm inslikt, gebeurt er niet echt veel. Herinner je de Outspan sinaasappelen nog?
Maar Germanium verbindingen die specifiek gemaakt zijn oplosbaar te zijn in water, zijn wel giftig.
Halogeen en hydroxy verbindingen met Germanium zijn van irritant tot toxisch.

[webcamjan]

Ik wil je wel wat halfgeleiders brengen dat als je die openmaakt je een probleem hebt.

Niet alleen giftig maar 100% dodelijk en bij genoeg in huis hebben kan je aangezien worden voor terrorist. En je koopt het gewoon in de winkel. Op dergelijke onderdelen -erop ernaast op de behuizing waar het inzit- zit niet voor niets een sticker en je mag raden welke.

Alle electronica is per definitie giftig.

[immetjes]

Hè wat??? Waar heb je dat ingestraald gekregen? Het safety datasheet zegt anders, http://www.crystran.co.uk...les/germanium-ge-msds.pdf

Lood en tin zijn waarschijnlijk gevaarlijker. http://www.lenntech.com/periodic/elements/ge.htm

[Reactie gewijzigd door immetjes op 23 juli 2024 00:27]

[scsirob]

Ik denk dat jij in de war bent met Beryllium, of Gallium.