德國科學家開發出一種前所未有的材料CSiGeSn，有望推動晶片技術進步
科技產業資訊室(iKnow) - 茋郁 發表於 2025年7月22日
圖、德國科學家開發出一種前所未有的材料CSiGeSn，有望推動晶片技術進步
科學家將元素週期表第四族的四種元素融合在一起，設計出一種新材料，有望重新定義量子運算、微電子學和光子學的未來。
Jülich研究中心(FZJ)和Leibniz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(C)、矽(Si)、鍺(Ge)和錫(Sn)組成的穩定半導體合金，稱之為CSiGeSn的新化合物。
這種材料的特殊之處在於，所有四種元素都屬於元素週期表的第四族。這確保了其與晶片產業使用的標準製造方法CMOS 製程達到兼容性，這將是一個至關重要的優勢。
透過結合這四種元素，人類終於實現了一個長期目標：打造終極的第四族半導體。
雖然矽長期以來一直主導著晶片製造，但在將光子學或量子元件直接整合到晶片上時，矽仍存在局限性。這種新型合金能夠對材料特性進行精細調整，使其性能超越純矽的性能，尤其是光學元件或量子電路。這些結構可以在製造過程中直接整合到晶片上。
同時，這種新材料使得電子和光學特性的微調成為可能，超越了純矽所能達到的水平。它還與晶片生產所需的晶圓上精細的晶格保持兼容。
研究團隊解釋說，只有與矽同族的元素才能維持晶體結構。而其他元素則會透過外延（半導體技術中的一種製程，以原子級精度在基板上沉積薄層）來破壞晶體結構。在矽鍺錫基體中添加碳元素可以實現對帶隙的前所未有的控制，帶隙是決定材料電子和光子行為的關鍵參數。
一個例子是在室溫下工作的雷射。許多矽族的光學應用仍處於起步階段。在穿戴式裝置和電腦晶片中，開發合適的熱電材料，將熱能轉化為電能，也帶來了新的機會。
多年來，科學家一直在嘗試將矽、鍺和錫組合在一起，以製造雷射、LED和光電探測器等光電裝置。然而，由於碳的原子尺寸比錫小得多，且鍵合行為也與錫不同，添加碳元素長期以來被認為幾乎不可能。
如今透過使用AIXTRON的先進工業化學氣相沉積(CVD)系統，且該系統無需特殊設備，只需使用與晶片製造中已有標準配置類似的設備即可。其就能將這四種元素組合成一種均勻穩定的材料。
這種新型高品質材料如今為將全新功能整合到晶片中打開了大門，例如室溫雷射、用於穿戴式技術的高效熱電材料，甚至用於未來運算系統的量子組件。
此外，另一項重大突破是成功製造出第一個基於由這四種元素組成的所謂量子阱結構的發光二極體(LED)，這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矽相容性進行了獨特的結合，為可擴展的光子、熱電和量子技術組件奠定了基礎。(999字；圖1)
參考資料：
Germany creates material 'that has never existed' to unlock quantum tech power. Interesting Engineering. 2025/07/15.
New four-element semiconductor alloy promises advances in chip technology. Phys.org. 2025/07/15.
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