功率半导体：锗和 SiGe 可能获得另一次机会

有时，一项引发根本性或戏剧性进步的技术或技术很快就会被最初创新的变化或改进所取代，锗基晶体管就是一个很好的例子。75 年前的 1947 年，当约翰·巴丁 (John Bardeen)、沃尔特·布拉顿 (Walter Brattain) 和威廉·肖克利 (William Schockley) 开发并展示了第一个晶体管(一种点接触器件)时，固态和现代电子时代诞生了。他们的晶体管使用掺杂的锗，金箔触点用小弹簧推到表面。

这种点接触器件制造难度大，成品率低。因此，到 1948 年底，Schockley 设计了双极结型晶体管，消除了棘手的点接触排列，并很快成为标准设计。此外，由于优越的温度相关属性、较低的成本和更广泛的原材料可用性，硅成为首选的半导体材料。

锗的正向压降确实较低，约为 0.4 V，而硅为 0.7 V。然而，更高的硅压降被它的许多其他优点所抵消。

现在，当然，半导体世界主要基于硅。是的，我们有用于特殊应用的氮化镓 (GaN)、砷化镓 (GaAs)，甚至碳化硅 (SiC)，但绝大多数固态设备都是硅基的。锗的电子应用仅限于少数专用硅锗 (SiGe) 器件，但它肯定不是主流工艺，尽管这种化合物的载流子迁移率可能是标准硅的两到三倍。

您仍然可以从 NTE Electronics 等供应商处购买基于 Ge 的晶体管，并且 eBay 上有许多未使用和使用过的产品，但它们完全不在主流范围内。锗现在的主要应用是在光学系统中，因为它对 8 至 14 微米热波段的红外光相对透明。这使得它非常适合热成像系统中的镜头系统和光学窗口。

一些音频爱好者认为锗晶体管的声音比硅器件好;但这是我们现在不会进行的讨论。

然而，锗和 SiGe 可能会获得另一次机会。最近，由 Technische Universität Wien (TU Wien/Vienna) 领导的多机构团队设计了一种方法来克服与复合硅和锗器件相关的可靠接触的主要问题。

潜在的问题是，每个半导体表面在传统工艺中都会受到固有污染，尤其是氧原子会在材料表面迅速积累并形成氧化层。对于硅，这是一个可控的情况，因为它总是形成相同种类的氧化物。然而，对于锗，可以形成各种不同的氧化物。这意味着不同的纳米电子设备可能具有非常不同的表面成分，因此具有不同的电子特性。

这给建立关键联系带来了问题。即使您以完全相同的方式生产所有这些组件，在原子级别仍然不可避免地存在显着差异。这个可重复性问题是个大问题;在将触点置于富含锗的硅上之后，无法保证最终的电子元件是否真的具有预期的属性。

论文“Si 1−x Ge x Nanosheets with Monolithic Single-Elementary Al Contacts 中的 Composition Dependent Electrical Transport”描述了如何使用极高质量的结晶铝和复杂的硅-锗层系统开发触点。这使得与锗具有不同的、独特的接触特性，特别适用于光电和量子元件。

为了克服这一困境，TU Wien/Vienna 的团队开发了一种方法，可以在原子尺度上在铝触点和硅-锗组件之间创建完美的界面，如下图所示。第一步，使用薄硅层和制造电子元件的实际材料——硅-锗制造层系统。

这是热诱导 Al-Si 1−x Ge x交换后的 Al-Si 1−x Ge x -Al 异质结构示意图和显示实际器件的假彩色扫描电子显微镜 (SEM) 图像。放大视图显示了外延生长的 Si-Si 1−x Ge x Si 叠层的示意图，该叠层整体嵌入所提出的金属-半导体异质结构中。整个轴向 Al-Si 1−x Ge x -Al 异质结构的 STEM 图像和 EDX 图概览与 Al 触点整体集成。

然后，通过以受控方式加热结构，在铝和硅之间建立接触。独特的扩散发生在大约 500°C 时，原子离开原来的位置并开始迁移。硅和锗原子相对较快地移动到铝触点中，铝填充空出的空间。

结果是铝和硅锗之间的界面，中间有一层极薄的硅层。在这个过程中，氧原子永远没有机会到达这个原子级尖锐和高纯度的界面。

该团队认为，高质量的触点可以大量生产，从而产生各种新型纳米电子、光电和量子器件。因此，谁知道呢，锗和 SiGe 可能还会有另一个机会与基础硅和其他专业工艺技术一起大放异彩。

另一方面，众所周知，从实验室到可行生产的道路是一条艰难的道路，有许多技术、产量和成本障碍，有时收益得不偿失。看看这种发展是否会导致锗在半导体世界中发挥更大更好的作用将会很有趣。

复合锗器件能否卷土重来，或者与主流硅器件相比在技术和成本方面的负面影响是否太大?它会继续是“指日可待”的改进吗?