1. 首頁 > 生活百科 > >

這款合金，讓硅基芯片再躍級

芯片激光器半導體cmosit芯片

這款合金，讓硅基芯片再躍級

文章圖片


兼容 CMOS ， 四元素合金引關注 。





于利希研究中心和萊布尼茨創新微電子研究所（IHP）的研究人員開發出一種前所未有的材料：一種由碳、硅、鍺和錫組成的穩定合金 。 這種新化合物（縮寫為CSiGeSn）為電子學、光子學和量子技術界面領域的應用開辟了激動人心的可能性 。
這種材料的特殊之處在于 ， 所有四種元素（例如硅）都屬于元素周期表的第四族 。 這確保了其與芯片行業使用的標準制造方法——CMOS工藝——的兼容性 ， 這是一個至關重要的優勢 。
“通過結合這四種元素 ， 我們實現了一個長期目標：打造終極IV族半導體 。 ”于利希研究中心的丹·布卡博士解釋道 。 這項研究發表在《先進材料》雜志上 。
【這款合金，讓硅基芯片再躍級】這種新型合金能夠對材料特性進行微調 ， 使其性能達到純硅無法企及的程度 ， 例如光學元件或量子電路 。 這些結構可以在制造過程中直接集成到芯片上 。
在電子學領域 ， 這種CSiGeSn合金可助力開發高性能晶體管 。 由于其能通過成分微調精準調控帶隙和電子遷移率 ， 相比傳統硅基晶體管 ， 在高頻、高溫環境下的穩定性將顯著提升 ， 尤其適合用于5G/6G通信基站的射頻芯片 ， 可減少信號傳輸損耗 ， 提升數據處理速率 。 同時 ， 其與CMOS工藝的兼容性 ， 能讓這類高性能晶體管直接集成到現有芯片架構中 ， 無需大規模改造生產線 ， 降低了高端電子設備的制造成本 。
在光子學方面 ， 室溫下穩定工作的硅基激光器一直是行業追求的目標 ， 而CSiGeSn合金為這一目標提供了可能 。 通過調整四種元素的比例 ， 可精確控制材料的光學帶隙 ， 使其能高效發射特定波長的光 ， 滿足光通信中不同頻段的需求 。 例如 ， 在數據中心的芯片間光互連中 ， 基于這種合金的激光器可與硅基光子電路無縫集成 ， 實現芯片內或芯片間的高速光信號傳輸 ， 大幅提升數據中心的算力和能效 。 此外 ， 其制成的光電探測器也能在可見光到中紅外波段保持高靈敏度 ， 可應用于環境監測的光譜分析設備中 。
在量子技術界面領域 ， 該合金的優勢更為突出 。 量子比特的穩定性和操控性是量子計算的核心難題 ， 而CSiGeSn合金可調的電子結構能為量子比特提供更靈活的能級調控空間 。 研究人員可通過改變材料成分 ， 設計出基于自旋或電荷的量子比特 ， 且這些量子比特能與傳統硅基電子電路直接耦合 ， 解決了量子芯片與經典控制電路集成的兼容性問題 。 比如 ， 在量子密鑰分發系統中 ， 利用該合金制作的單光子源可穩定發射量子態光子 ， 同時其與CMOS工藝的兼容性能簡化系統的整體架構 ， 推動量子通信技術的小型化和實用化 。 此外 ， 其優異的熱電特性還可用于量子器件的微型制冷單元 ， 減少環境熱噪聲對量子態的干擾 ， 提升量子計算的可靠性 。
化學在此設定了明確的界限：只有與硅同族的元素才能無縫地融入晶圓上的晶格 。 其他族的元素會破壞這種敏感的結構 。 底層工藝稱為外延 ， 這是半導體技術的一個關鍵工藝 ， 其中薄層以原子級精度沉積在基板上 。
Buca 博士的團隊與多個研究小組合作 ， 已成功將硅、鍺和錫結合在一起 ， 開發出晶體管、光電探測器、激光器、LED 和熱電材料 。 如今 ， 碳的加入使得對帶隙的控制更加精準——帶隙是決定電子和光子行為的關鍵因素 。
“一個例子就是在室溫下工作的激光器 。 硅基的許多光學應用仍處于起步階段 ， ”Buca博士解釋說 。 “在可穿戴設備和計算機芯片中 ， 開發合適的熱電材料將熱能轉化為電能也帶來了新的機遇 。 ”
長期以來 ， 人們認為制造這種材料幾乎不可能 。 碳原子很小 ， 而錫原子很大 ， 而且它們的鍵合力差異很大 。 只有通過精確調整生產工藝 ， 才能將這兩種截然不同的材料結合在一起——使用愛思強股份公司的工業化學氣相沉積 (CVD) 系統 。 無需特殊設備 ， 只需使用與芯片制造中已有標準設備類似的設備即可 。
最終 ， 我們得到了一種成分均勻的高質量材料 。 這也促成了首個基于量子阱結構的發光二極管的誕生 ， 該結構由四種元素構成 ， 是邁向新型光電元件的重要一步 。
“這種材料將可調光學特性與硅兼容性完美結合 ， ”IHP 的 Giovanni Capellini 教授說道 ， 他與 Buca 博士合作超過 10 年 ， 致力于探索新型 IV 族半導體的應用潛力 。 “這為可擴展的光子、熱電和量子技術組件奠定了基礎 。 ”
*聲明：本文系原作者創作 。 文章內容系其個人觀點 ， 我方轉載僅為分享與討論 ， 不代表我方贊成或認同 ， 如有異議 ， 請聯系后臺 。
想要獲取半導體產業的前沿洞見、技術速遞、趨勢解析 ， 關注我們！

    推薦閱讀