这款合金，让硅基芯片再跃级

于利希研究中心和莱布尼茨创新微电子研究所（IHP）的研究人员开发出一种前所未有的材料：一种由碳、硅、锗和锡组成的稳定合金。这种新化合物（缩写为CSiGeSn）为电子学、光子学和量子技术界面领域的应用开辟了激动人心的可能性。

这种材料的特殊之处在于，所有四种元素（例如硅）都属于元素周期表的第四族。这确保了其与芯片行业使用的标准制造方法——CMOS工艺——的兼容性，这是一个至关重要的优势。

“通过结合这四种元素，我们实现了一个长期目标：打造终极IV族半导体。”于利希研究中心的丹·布卡博士解释道。这项研究发表在《先进材料》杂志上。

这种新型合金能够对材料特性进行微调，使其性能达到纯硅无法企及的程度，例如光学元件或量子电路。这些结构可以在制造过程中直接集成到芯片上。

在电子学领域，这种CSiGeSn合金可助力开发高性能晶体管。由于其能通过成分微调精准调控带隙和电子迁移率，相比传统硅基晶体管，在高频、高温环境下的稳定性将显著提升，尤其适合用于5G/6G通信基站的射频芯片，可减少信号传输损耗，提升数据处理速率。同时，其与CMOS工艺的兼容性，能让这类高性能晶体管直接集成到现有芯片架构中，无需大规模改造生产线，降低了高端电子设备的制造成本。

在光子学方面，室温下稳定工作的硅基激光器一直是行业追求的目标，而CSiGeSn合金为这一目标提供了可能。通过调整四种元素的比例，可精确控制材料的光学带隙，使其能高效发射特定波长的光，满足光通信中不同频段的需求。例如，在数据中心的芯片间光互连中，基于这种合金的激光器可与硅基光子电路无缝集成，实现芯片内或芯片间的高速光信号传输，大幅提升数据中心的算力和能效。此外，其制成的光电探测器也能在可见光到中红外波段保持高灵敏度，可应用于环境监测的光谱分析设备中。

在量子技术界面领域，该合金的优势更为突出。量子比特的稳定性和操控性是量子计算的核心难题，而CSiGeSn合金可调的电子结构能为量子比特提供更灵活的能级调控空间。研究人员可通过改变材料成分，设计出基于自旋或电荷的量子比特，且这些量子比特能与传统硅基电子电路直接耦合，解决了量子芯片与经典控制电路集成的兼容性问题。比如，在量子密钥分发系统中，利用该合金制作的单光子源可稳定发射量子态光子，同时其与CMOS工艺的兼容性能简化系统的整体架构，推动量子通信技术的小型化和实用化。此外，其优异的热电特性还可用于量子器件的微型制冷单元，减少环境热噪声对量子态的干扰，提升量子计算的可靠性。

化学在此设定了明确的界限：只有与硅同族的元素才能无缝地融入晶圆上的晶格。其他族的元素会破坏这种敏感的结构。底层工艺称为外延，这是半导体技术的一个关键工艺，其中薄层以原子级精度沉积在基板上。

Buca 博士的团队与多个研究小组合作，已成功将硅、锗和锡结合在一起，开发出晶体管、光电探测器、激光器、LED 和热电材料。如今，碳的加入使得对带隙的控制更加精准——带隙是决定电子和光子行为的关键因素。

“一个例子就是在室温下工作的激光器。硅基的许多光学应用仍处于起步阶段，”Buca博士解释说。“在可穿戴设备和计算机芯片中，开发合适的热电材料将热能转化为电能也带来了新的机遇。”

长期以来，人们认为制造这种材料几乎不可能。碳原子很小，而锡原子很大，而且它们的键合力差异很大。只有通过精确调整生产工艺，才能将这两种截然不同的材料结合在一起——使用爱思强股份公司的工业化学气相沉积 (CVD) 系统。无需特殊设备，只需使用与芯片制造中已有标准设备类似的设备即可。

最终，我们得到了一种成分均匀的高质量材料。这也促成了首个基于量子阱结构的发光二极管的诞生，该结构由四种元素构成，是迈向新型光电元件的重要一步。

“这种材料将可调光学特性与硅兼容性完美结合，”IHP 的 Giovanni Capellini 教授说道，他与 Buca 博士合作超过 10 年，致力于探索新型 IV 族半导体的应用潜力。“这为可扩展的光子、热电和量子技术组件奠定了基础。”