科学家首次成功在硅上集成50微米厚锗

据物理学家组织网3月29日报道，瑞士和意大利科学家在3月30日出版的《科学》杂志上指出，他们在硅上构造单片半导体结构方面取得了重大突破，成功在硅上集成了50微米厚锗，新结构几乎完美无缺，最新研究将让包括X射线技术在内的多个领域受益。

微电子设备几乎离不开硅，硅价格低廉、储藏丰富且坚固耐用。但硅也并非万能，有些材料的性能也比硅强，因此科学家正想方设法让硅同锗等其他半导体材料“联姻”，以获得这两种材料的最好性能，打开新的应用领域。

然而，让硅和其他半导体“联姻”并非易事。过去，科学家们需要利用昂贵且耗时的焊接技术，但由于晶体网格内有瑕疵，迄今为止，将厚的单片锗层集成在硅上的尝试屡屡失败。另外，在热应力下，硅晶圆会变形，锗层也会开裂，使得到的电子元件无法使用。

现在，由瑞士联邦理工学院、瑞士电子学与微电子科技中心（CESM）、意大利米兰理工大学以及米兰—比可卡大学的科学家们携手找到了解决办法。在研究中，他们并没有使用连续一层锗，而是用硅和嫁接在其上的单体结构的锗制成的“簇毛”制造出了一块小型“簇毛地毯”。“簇毛”之间的距离仅为几十纳米。为了制造出这些“簇毛”，他们将边长为2微米、高为8微米的细小圆柱蚀刻成廉价的硅基座，并在极端环境下让锗晶体在硅柱上生长。

这一过程可制造出任何厚度的没有瑕疵的硅—锗层。他们在实验室制造出的最厚的锗结构为50微米，是以前的10倍。瑞士联邦理工学院的编外讲师汉斯·冯-卡纳尔说：“这样厚度的连续一层锗只会从硅上剥落下来。”他认为，新方法能制造出100微米厚的锗层，而且不需要特殊技术就可以将这些材料焊接在一起。

该研究团队的初衷是制造出一款单体种植在读出电子设备上的X射线探测器。该探测器需要数百万个能同时起作用的像素以确保获得很高的空间分辨率，因此需要至少50微米厚的锗层才能确保足够的灵敏度。但使用以前方法制造出的大面积探测器都很昂贵。冯-卡纳尔强调：“最新研究使科学家们能制造出最高分辨率的X射线探测器，而且成本也不贵。”

高分辨率和灵敏度能保证手术中用到的X射线的剂量最少，确保医疗手术能在直接成像控制下操作，而使用目前的X射线方法无法做到这一点。不过，研究人员也表示，基于新技术制造出来的X射线设备还需要几年才能问世。

另外，最新技术还可用于在机场进行行李扫描的X射线设备上，用于测试包裹起来的电子元件，用于制造每一层电池能吸收不同波长太阳光的高效叠层太阳能电池（已被用于航空航天领域）。另外，科学家们也希望最新技术能被用于砷化镓或者碳化硅等材料上。