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应变锗：量子芯片的突破
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从硅到锗
硅基半导体正日益逼近多项技术极限。不仅最先进芯片中的晶体管仅由少数几个原子构成，而且硅原子的物理特性本身也成为难以突破的限制，阻碍了技术的进一步提升。
对于自旋电子学和量子计算等最先进的计算形式来说，尤其如此。
因此，研究人员和半导体公司正在转向其他金属和元素，以寻找新的潜在设计。
其中一种金属——锗——正重新受到人们的青睐。锗最早于20世纪50年代用于早期晶体管，但由于生产成本和易于制造等因素，它最初被硅所取代。
如今，锗是电子产品和红外光学器件（包括导弹和国防卫星上的传感器）的关键材料，而锗主要产自锌矿和钼矿。
它还可以用于其他用途；例如， 磁性铁锗晶体 形成独特的结构可用于制造超导体。 仅由锗制成的薄膜也可能是超导的。
但锗也具有独特的物理性质，使其在特定情况下有可能替代硅半导体。
华威大学和加拿大国家研究委员会的研究人员发现，锗在某些方面比硅好15,000倍以上。他们将研究结果发表在《今日材料》杂志上，标题为“在硅衬底上受压应变锗中，空穴迁移率超过 7 × 106 cm2V-1s−1“。
结语
- 研究人员在应变锗硅中实现了创纪录的空穴迁移率。
- 这种材料的电荷传输速度比工业硅快 15,000 倍以上。
- cs-GoS 平台与 CMOS 兼容，并可扩展至整个晶圆。
- 这一突破有望推动低功耗芯片和未来基于自旋的量子器件的发展。
移动的是空穴，而不是电子
在电子和半导体领域，材料的确切原子结构与构成该材料的元素同样重要。
锗的情况也是如此。研究人员制备了一种纳米级薄的锗层，该锗层受到压缩应变，并生长在硅衬底上。
其理念是利用“高迁移率空穴”来优化电荷传输，而不是像通常那样利用电子的运动。
在这种情况下，我们测量的不是电子的移动和信息的传递，而是表示正电荷载流子（“空穴”，或缺失的电子）在电场作用下穿过材料的难易程度的特性。
与传统的电子运动相比，空穴迁移率具有更优异的“强自旋轨道耦合、抑制的超精细相互作用和高效的全电自旋控制“。
通俗地说，这意味着这种特性非常适合在自旋电子学和量子计算系统中对信息进行编码。
但迄今为止，空穴迁移材料过于容易受到环境干扰，无法应用于实际计算。杂质和制造工艺的复杂性进一步阻碍了这一想法的实现。
压缩锗
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| 材料 | 空穴迁移率（cm²/V·s） | 笔记 |
|---|---|---|
| 硅（标准CMOS） | 〜450 | 当前行业基准 |
| 未受应力的锗 | 〜1,900 | 更高但难以扩展 |
| 应变锗硅（cs-GoS） | 7,150,000年 | 性能提升超过 15,000 倍，晶圆兼容 |
最近出现了一种新的生产方法，称为压缩应变，它可以改变半导体材料的晶体结构，从而影响电子能级和电荷传输。
利用这种方法，研究人员成功地在硅层上制备了一层薄薄的压缩锗层，该锗层的空穴迁移率达到了7.15万cm⁻²。2 每伏秒（与约 450 厘米相比）2 每伏秒工业硅）。
就该指标而言，这比锗基电子产品有了指数级的提升。
来源: 今日材料
由于这种材料中的电荷移动速度可以显著加快（>15,000倍），这为制造速度更快、能耗更低的电子产品打开了大门。
“这为 IV 族半导体（全球电子产业的核心材料）的电荷传输设定了新的基准。
它为更快、更节能的电子产品和量子器件打开了大门，这些产品与现有的硅技术完全兼容。”
应变锗如何为量子芯片和低功耗芯片提供动力
这种新的 cs-GoS 平台本质上与 CMOS 技术（互补金属氧化物半导体）兼容，CMOS 技术是半导体制造的主要技术，用于传感器、低功耗电路和 PC 存储器。
它还可以扩展到晶圆尺寸的层，使其能够直接应用于当前的半导体制造方法。
“传统的高迁移率半导体，例如砷化镓（GaAs），价格非常昂贵，而且无法与主流硅制造工艺集成。”
它为在量子计算机设计中使用空穴迁移率开辟了道路，或者将这种锗基电路集成到低功耗芯片和自旋电子器件中。
因此，将实验室原型转化为可批量生产的芯片应该不会像一些更奇特的设计那样困难。
来源: 今日材料
“我们新研发的压缩应变锗硅（cs-GoS）量子材料兼具世界领先的迁移率和工业可扩展性——这是迈向实用量子和经典大规模集成电路的关键一步。”
投资半导体制造
台积电（TSMC）——台湾半导体制造公司
(TSM )
半导体生产行业的特点是既需要非常专业和复杂的技术，又需要大规模生产以降低成本。
在掌握这种商业模式方面，没有哪家公司能像台积电那样成功。台积电是一家台湾公司，在超先进芯片的制造领域处于世界领先地位。
台积电主要生产硅芯片，包括性能最强大的3nm和2nm制程芯片。由于它生产最先进、最昂贵的芯片，因此控制着全球半导体代工行业一半以上的收入。
来源: 艾瑞克·弗兰宁加姆
台积电目前正在进行转型，准备开始在美国生产硅芯片。 尤其值得一提的是，该公司在亚利桑那州新建的铸造厂投入了巨资。.
不过，台积电在先进的锗基晶体管和其他半导体领域也是专家。
因此，尽管该公司目前的利润主要来自先进芯片和为英伟达等公司制造人工智能硬件。 (NVDA )此外，它也可能是这项发现的主要受益者之一，这项发现表明，常见的半导体制造方法可以生产高性能芯片，包括使用锗的芯片。
（你也可以 请阅读我们的投资报告，了解更多关于台积电的历史和业务信息。 致力于公司.)
投资者外卖
- 应变锗硅（cs-GoS）的发现为利用现有CMOS基础设施制造速度更快、功耗更低的芯片提供了一条途径。
- 由于该材料与当今的晶圆工艺兼容，因此其应用风险低于其他新型半导体替代品。
- 台积电凭借其在锗晶体管领域的领先地位和在先进节点制造领域的统治地位，成为此次合作的主要受益者。
- 这项研究强化了晶圆代工厂、设备制造商和材料供应商在后硅时代创新中进行长期投资的理由。
- 商业化仍处于早期阶段，但 cs-GoS 加强了混合硅-量子架构的路线图——这是未来先进芯片需求的催化剂。
台积电（TSM）最新股票新闻及动态
参考研究：
1. Myronov, M., Bogan, A., & Studenikin, S. (2025). 硅上压缩应变锗的空穴迁移率超过 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹。 今日材料, 90，314-321。 https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.004
