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據(jù)外媒報(bào)道，半導(dǎo)體材料是現(xiàn)代電子、光子、光伏、熱電和許多其他半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，是計(jì)算機(jī)、手機(jī)、小工具、家用電器、汽車和其他設(shè)備中不可或缺的材料。

超過(guò)99%的半導(dǎo)體器件是由硅片制成或在硅片上制造的。新型IV族半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)由在硅或絕緣體硅晶片上的硅、鍺、碳或錫組成，為不斷改進(jìn)先進(jìn)硅器件的性能提供了自然途徑，使其具有增強(qiáng)或獨(dú)特的新性能。

(資料圖)

載流子遷移率

傳導(dǎo)（電子）或價(jià)（空穴）帶中自由載流子的遷移率，以及相當(dāng)大的能帶隙，是所有半導(dǎo)體材料中最重要的質(zhì)量指標(biāo)之一，決定了其在各種新應(yīng)用中的適用性，如普通電子應(yīng)用、光電和傳感器設(shè)備，以及新興量子設(shè)備。

在更高的遷移率下，設(shè)備功耗降低且運(yùn)行速度更快，從而降低焦耳散熱，對(duì)于擴(kuò)展和提高當(dāng)前電子設(shè)備的速度至關(guān)重要。對(duì)于在低溫下工作的設(shè)備和電子設(shè)備，這一點(diǎn)尤為重要，因其設(shè)計(jì)旨在控制量子處理器的分布式寄存器。此外，載流子遷移率是衡量量子器件的關(guān)鍵因素，通常在新的發(fā)現(xiàn)中起著關(guān)鍵作用。

應(yīng)變鍺半導(dǎo)體

鍺是一種半導(dǎo)體材料，自第一個(gè)晶體管發(fā)明以來(lái)就被應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)。與硅和各種III-V化合物等其他半導(dǎo)體相比，具有若干優(yōu)勢(shì)。如果通過(guò)應(yīng)變工程來(lái)提高鍺中空穴的遷移率，可能開發(fā)出具有獨(dú)特性質(zhì)的新型量子材料。由于量子的性質(zhì)，量子材料表現(xiàn)出獨(dú)特的電子和磁性質(zhì)，研究人員正在探討如何充分?jǐn)U展其應(yīng)用，包括量子計(jì)算、傳感和能量存儲(chǔ)。

因?yàn)闃?gòu)成材料的晶格不匹配，硅上的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有內(nèi)置應(yīng)變。這是材料能帶結(jié)構(gòu)工程中必不可少的參數(shù)。然而，研發(fā)高遷移率應(yīng)變硅、硅鍺和鍺異質(zhì)結(jié)構(gòu)，需要特殊的外延生長(zhǎng)技術(shù)，如分子束外延和化學(xué)氣相沉積，并結(jié)合外延知識(shí)和技術(shù)，以克服這些材料在異質(zhì)外延方面的各種重大挑戰(zhàn)。

在一個(gè)材料系統(tǒng)中尋求長(zhǎng)期參數(shù)組合

由英國(guó)和加拿大研究人員組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)報(bào)告，在標(biāo)準(zhǔn)硅片上生長(zhǎng)的外延應(yīng)變鍺半導(dǎo)體中，空穴的遷移率達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄水平（430萬(wàn)cm2V-1s-1），比目前的技術(shù)水平提高了四倍以上，從而使IV族半導(dǎo)體材料中空穴的性能優(yōu)于電子。在應(yīng)變鍺中發(fā)現(xiàn)的空穴遷移率，是目前最先進(jìn)的應(yīng)變硅中電子遷移率的兩倍。在其他半導(dǎo)體材料體系中還未觀察到類似情況。

除了創(chuàng)紀(jì)錄遷移率，這種材料平臺(tái)還顯示出獨(dú)特的性能組合，即有效g*因子非常大、滲流密度低和有效質(zhì)量小。對(duì)于研發(fā)降低焦耳加熱的低溫電子產(chǎn)品，以及基于自旋量子位的量子電子電路，包括馬約拉納費(fèi)米子器件，這種在單一材料系統(tǒng)中長(zhǎng)期尋求的參數(shù)組合具有重要意義。

這一重大突破的實(shí)現(xiàn)，要?dú)w功于先進(jìn)外延生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展，最終使應(yīng)變鍺材料系統(tǒng)具有優(yōu)異的單晶質(zhì)量，以及非常低的背景雜質(zhì)密度和其他缺陷。這種卓越的材料體系具有獨(dú)特的性能，將為創(chuàng)新量子器件技術(shù)和量子應(yīng)用，以及日常電子學(xué)、光電子學(xué)和傳感器帶來(lái)新的機(jī)遇。特別是獲得的參數(shù)組合，將有助于實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)橫向門控量子器件。此外，可以有效地模擬和預(yù)測(cè)這些空穴的屬性，從而減少試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，節(jié)約時(shí)間和成本。

與其他材料相比

這縮小了在同一材料基材上生長(zhǎng)的砷化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中最佳空穴遷移率之間的差距，最近從230萬(wàn)cm2V-1s-1增加到580萬(wàn)cm2V-1s-1。然而，與硅和鍺相比，III-V材料加工復(fù)雜、價(jià)格昂貴，而且地殼儲(chǔ)量不豐富，不以同位素純形式存在，與適合大規(guī)模生產(chǎn)的先進(jìn)硅技術(shù)不兼容。其他所有已知半導(dǎo)體，包括III-V、II-VI、鈣鈦礦、2D材料等，表現(xiàn)出的空穴遷移率比應(yīng)變鍺和砷化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)低得多。

研究人員認(rèn)為，應(yīng)變鍺異質(zhì)結(jié)構(gòu)還沒(méi)有達(dá)到最大遷移率，有待進(jìn)一步提升。要了解限制空穴遷移率的微觀機(jī)制，需要進(jìn)行更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)和理論研究。總體而言，這一突破提高了應(yīng)變鍺中的空穴遷移率，可能會(huì)對(duì)新量子材料和技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。