锗和硅锗可能再次获得市场青睐

有时候，一项开创了根本性或戏剧性进步的技术或工艺，很快就会被这项创新本身的变化或改进所取代，一个很好的例子就是锗晶体管。在75年前的1947年，约翰-巴丁(John Bardeen)、沃尔特-布拉坦(Walter Brattain)和威廉-肖克利(William Schockley)开发并展示了第一只晶体管——一个点接触器件，从此开启了固态与现代电子时代。这种晶体管使用了掺杂锗，并利用微型弹簧将金箔触点压接在表面。

当时，这种点接触器件的制造非常困难，产量也很低。到了1948年底，肖克利设计出了双极结点晶体管，解决了棘手的点接触方式带来的问题，并很快成为标准设计。但后来业界发现硅具有更加优越的温度属性、较低的成本和更广泛的原材料供应，进而逐渐成为半导体材料的首选。

锗确实具有较低的正向压降，约为0.4V，而硅的正向压降则为0.7V。然而，硅的压降较高这个缺点，完全被许多其他优点所掩盖。迄今已有许多关于第一个晶体管历史和技术的书籍与文章，最近发表在IEEE Spectrum上的一篇文章“第一个晶体管是如何工作的”，对这两个方面都作了很好的诠释。

当然，现在的半导体世界主要以硅为基础。没错，还会用到氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)，甚至还有针对特殊应用的碳化硅(SiC)，但绝大部分固态器件都是基于硅的。锗的电子应用仅限于少数特殊的硅锗(SiGe)器件，尽管这种化合物的载流子迁移率能达到标准硅的两到三倍，但目前肯定不是主流工艺。

人们仍然可以从NTE电子公司等供应商那里买到锗晶体管，在eBay上也有许多一手或二手商品，但它们远不是主流产品。锗现在的主要应用是光学系统，因为它对8至14微米热波段的红外光是相对透明的，这使得它很适合用于镜头系统和热成像系统中的光学窗口。另外，一些音乐爱好者坚持认为，锗晶体管的音色比硅器件更好；不过这都不是本文要讨论的内容。

锗和硅锗可能会迎来一个新的市场机会。最近，由维也纳工业大学(TU Wien/Vienna)领导的一个多机构团队已经设计出一种方法，来克服与硅和锗化合物器件相关的可靠接触问题。

其中最根本的问题是，采用传统工艺生产的每一个半导体表面都会被污染，特别是氧原子，它们在材料的表面上积累得非常快，并会形成氧化层。对于硅来说，这种情况是可以处理的，因为它总是形成同一种氧化物。然而，对于锗而言，会形成一系列不同的氧化物。这意味着不同的纳米电子器件可能有非常不同的表面成分，从而呈现不同的电特性。

这就给制作关键的触点带来了问题。即使生产过程中采用完全相同的方式，在原子水平上仍然会不可避免地出现重大差异。这个可重复性问题是一个大问题；在把触点放置到富锗硅上后，不能保证生产出来的电子元件全部具有预期的属性。

在题目为“Composition Dependent Electrical Transport in Si1-xGexNanosheets with Monolithic Single-Elementary Al Contacts”的这篇论文中，描述了如何用质量极高的结晶铝和复杂的硅锗层系统开发触点。这种方法实现了与锗不同的、独特的触点特性，特别适合于光电和量子元件。

为了走出这一困境，维也纳工业大学的团队开发出了一种方法，可在原子尺度上创建铝触点和硅锗元件之间的完美界面，如图1所示。第一步，用薄的硅层和制造电子元件的实际材料--硅锗，生产出一个层系统。

图1：在原子尺度上创建铝触点和硅锗间的完美界面。

图1所示是经热诱导的Al-Si1−xGex交换后产生的Al-Si1-xGex-Al异质结构示意图，以及显示真实器件的伪彩色扫描电子显微镜(SEM)图像。放大后的视图为以单片方式嵌入推荐金属-半导体异质结构中的、并经外延式生长的Si-Si 1-xGexSi堆栈示意图。从整个轴向Al-Si1-xGex-Al异质结构的STEM图像和EDX图来看，Al触点的集成采用的是单片方式。

接下来以受控的方式对上述结构进行加热，就会在铝和硅之间产生一个触点。在大约500℃时会发生独特的扩散现象，即原子离开它们原来的位置并开始迁移。硅和锗原子相对较快地进入铝触点，而铝原子则填补空出的空间。

其结果就是在铝和硅锗之间形成一个界面，即一个极薄的硅层。在这个过程中，氧原子永远没有机会到达这个原子级相当清晰且高纯度的界面。

该团队认为，这种高质量的触点可以投入大规模生产，从而制造出各种新的纳米电子、光电子和量子器件。因此，锗和硅锗应该还有新的机会，与硅及其他特殊的工艺技术一起发光发热。

另一个众所周知的是，从实验室到成熟的生产是一条艰难的道路，还有许多技术、良率和成本方面的羁绊需要克服，有时，获得的收益可能与付出的努力并不相当。不过观察这一进步是否会导致锗在半导体世界中发挥更大、更好的作用还是很有趣的。

锗化合物器件能否卷土重来，或者与主流硅相比，技术和成本方面的负面因素是否还是太大？它是否仍然是值得我们期待的一种技术进步呢？

(参考原文：Germanium and SiGe may get another chance）

本文为《电子工程专辑》2023年4月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅