在增强应变锗中空穴迁移率方面的突破导致新型量子材料的出现

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，这些器件是计算机、手机、小工具、家用电器、汽车等设备不可或缺的一部分。

超过99%的半导体器件由硅晶圆制成或在其上。由硅、锗、碳或锡组成的新型IV族半导体外延结构或绝缘体上硅晶圆为持续改进具有增强或新兴独特性能的最先进硅器件的性能提供了一条自然途径。

运营商的移动性

自由载流子在传导(电子)或价(空穴)带中的迁移率，以及相当大的能带隙，是任何半导体材料最重要的质量衡量标准之一，决定了其是否适用于各种经典电子、光电和传感器器件，以及新兴量子器件中的新应用。

更高的移动性使设备能够以更低的功耗更快地运行，从而减少焦耳散热，这对于扩展和提高当前电子设备的速度至关重要。对于那些在低温下工作并旨在控制量子处理器分布式寄存器的设备和电子设备来说，这一点更为重要。此外，载流子迁移率是量子设备的关键品质，通常在新发现中发挥关键作用。

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一直用于半导体工业。与其他半导体(如硅和各种III-V族化合物)相比，它具有一些优势。特别是，如果可以通过应变工程增强锗中空穴的迁移率，这可能会导致具有独特性质的新型量子材料的开发。量子材料是由于其量子性质而表现出独特的电子和磁性性质的材料，它们正在被研究用于广泛的应用，包括量子计算、传感和能量存储。

硅上的半导体异质结构具有由组成材料的晶格不匹配引起的内置应变。它是用于材料能带结构工程的基本参数。但是，高迁移率应变硅、硅锗和锗异质结构的研究和开发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，以克服这些材料异质外延的各种重大挑战。

在一个材料系统中长期寻求的参数组合

在我们最近发表在《小科学》杂志上的文章中，来自英国和加拿大的一个国际研究小组报道了创纪录的高孔移动性，达到4万厘米。2V-1s-1在外延应变锗半导体中，生长在标准硅晶片上。与现有技术相比，迁移率显着提高了四倍以上，使空穴的性能优于IV组半导体材料中的电子。在应变锗中证明的空穴迁移率是最先进的应变硅中报告的最佳电子迁移率的两倍。在任何其他半导体材料系统中都没有观察到类似的情况。

除了创纪录的迁移率外，该材料平台还揭示了独特的特性组合，即非常大的有效g*因子，低渗透密度和小有效质量。这种长期寻求的在一个材料系统中的参数组合对于研究和开发具有降低焦耳热的低温电子学以及基于自旋量子比特的量子电子电路(包括马约拉纳费米子器件)非常重要。

这一重大突破是由于最先进的外延生长技术的发展，最终使应变锗材料系统的单晶质量达到卓越，背景杂质和其他缺陷的密度非常低。这种结合了独特性能的优质材料系统将为量子以及经典电子学、光电子学和传感器领域的创新量子器件技术和应用带来新的机会。特别是，所获得的参数的组合将有助于实现高质量的横向门控量子器件。此外，可以可靠地模拟和预测这些孔属性，以减少昂贵且非常耗时的实验试错尝试。

与其他材料的比较

这一成就缩小了在同一材料基材上生长的砷化镓异质结构的最佳空穴迁移率之间的差距，该空穴迁移率最近刚刚从2万cm增加2V-1s-1至 5 万厘米2V-1s-1.不幸的是，III-V族材料加工复杂，价格昂贵，与硅和锗相比，在地壳中含量不高，不以同位素纯形式存在，并且与用于大规模生产的最先进的硅技术不兼容。所有其他已知的半导体，包括III-V、II-VI、钙钛矿、2D材料等。与应变的锗和砷化镓异质结构相比，显示出明显低的空穴迁移率。

我们认为，在应变的锗异质结构中仍未达到最大流动性，并且还有进一步改进的空间。显然，需要更详细的实验和理论研究来了解限制孔迁移的微观机制。

总体而言，增强应变锗中空穴迁移率的这一突破可能对新量子材料和技术的发展产生重大影响。看到这项研究的进展以及未来几年会出现哪些新的应用将是令人兴奋的。

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