新研究助力开发量子材料

据外媒报道，半导体材料是现代电子、光子、光伏、热电和许多其他半导体器件的基础，是计算机、手机、小工具、家用电器、汽车和其他设备中不可或缺的材料。

超过99%的半导体器件是由硅片制成或在硅片上制造的。新型IV族半导体外延结构由在硅或绝缘体硅晶片上的硅、锗、碳或锡组成，为不断改进先进硅器件的性能提供了自然途径，使其具有增强或独特的新性能。

【资料图】

载流子迁移率

传导（电子）或价（空穴）带中自由载流子的迁移率，以及相当大的能带隙，是所有半导体材料中最重要的质量指标之一，决定了其在各种新应用中的适用性，如普通电子应用、光电和传感器设备，以及新兴量子设备。

在更高的迁移率下，设备功耗降低且运行速度更快，从而降低焦耳散热，对于扩展和提高当前电子设备的速度至关重要。对于在低温下工作的设备和电子设备，这一点尤为重要，因其设计旨在控制量子处理器的分布式寄存器。此外，载流子迁移率是衡量量子器件的关键因素，通常在新的发现中起着关键作用。

应变锗半导体

锗是一种半导体材料，自第一个晶体管发明以来就被应用于半导体工业。与硅和各种III-V化合物等其他半导体相比，具有若干优势。如果通过应变工程来提高锗中空穴的迁移率，可能开发出具有独特性质的新型量子材料。由于量子的性质，量子材料表现出独特的电子和磁性质，研究人员正在探讨如何充分扩展其应用，包括量子计算、传感和能量存储。

因为构成材料的晶格不匹配，硅上的半导体异质结构具有内置应变。这是材料能带结构工程中必不可少的参数。然而，研发高迁移率应变硅、硅锗和锗异质结构，需要特殊的外延生长技术，如分子束外延和化学气相沉积，并结合外延知识和技术，以克服这些材料在异质外延方面的各种重大挑战。

在一个材料系统中寻求长期参数组合

由英国和加拿大研究人员组成的国际团队报告，在标准硅片上生长的外延应变锗半导体中，空穴的迁移率达到了创纪录水平（430万cm2V-1s-1），比目前的技术水平提高了四倍以上，从而使IV族半导体材料中空穴的性能优于电子。在应变锗中发现的空穴迁移率，是目前最先进的应变硅中电子迁移率的两倍。在其他半导体材料体系中还未观察到类似情况。

除了创纪录迁移率，这种材料平台还显示出独特的性能组合，即有效g*因子非常大、渗流密度低和有效质量小。对于研发降低焦耳加热的低温电子产品，以及基于自旋量子位的量子电子电路，包括马约拉纳费米子器件，这种在单一材料系统中长期寻求的参数组合具有重要意义。

这一重大突破的实现，要归功于先进外延生长技术的发展，最终使应变锗材料系统具有优异的单晶质量，以及非常低的背景杂质密度和其他缺陷。这种卓越的材料体系具有独特的性能，将为创新量子器件技术和量子应用，以及日常电子学、光电子学和传感器带来新的机遇。特别是获得的参数组合，将有助于实现优质横向门控量子器件。此外，可以有效地模拟和预测这些空穴的属性，从而减少试错实验，节约时间和成本。

与其他材料相比

这缩小了在同一材料基材上生长的砷化镓异质结构中最佳空穴迁移率之间的差距，最近从230万cm2V-1s-1增加到580万cm2V-1s-1。然而，与硅和锗相比，III-V材料加工复杂、价格昂贵，而且地壳储量不丰富，不以同位素纯形式存在，与适合大规模生产的先进硅技术不兼容。其他所有已知半导体，包括III-V、II-VI、钙钛矿、2D材料等，表现出的空穴迁移率比应变锗和砷化镓异质结构低得多。

研究人员认为，应变锗异质结构还没有达到最大迁移率，有待进一步提升。要了解限制空穴迁移率的微观机制，需要进行更详细的实验和理论研究。总体而言，这一突破提高了应变锗中的空穴迁移率，可能会对新量子材料和技术的发展产生重大影响。