说到半导体材料，大家首先想到的肯定是硅。但有一种元素在夜视仪和光纤通信里默默发挥着重要作用，它就是锗。这种银灰色的半导体正在集成电路领域掀起新波澜，不仅因为它的电子迁移率比硅快三倍，更因为它能与现有硅工艺兼容。深圳诚峰智造在第三代半导体研发中发现，锗材料在5G高频器件和红外探测器上的表现让人眼前一亮。

锗凭什么成为半导体新宠

锗原子最外层有四个电子，这种特性让它成为天生的半导体材料。早期晶体管就是靠锗材料起家的，后来被硅取代主要是因为硅更容易提纯。但现在情况不同了，当芯片制程推进到7纳米以下时，锗的高载流子迁移率优势就藏不住了。在太赫兹频段工作时，锗器件能比硅器件节省30%以上的能耗。实验室里已经做出迁移率达3900cm²/Vs的锗纳米线，这个数值是硅材料的整整三倍。有些高端射频芯片开始采用锗硅异质结，在保持硅基工艺的同时提升了高频特性。

蚀刻工艺决定器件性能天花板

想把锗材料的优势真正发挥出来，蚀刻技术是关键门槛。不同于硅的干法蚀刻，锗在氯基等离子体中容易形成挥发性氯化物，这导致侧壁粗糙度控制特别困难。我们做过对比实验，采用常规RIE蚀刻的锗鳍片边缘会出现纳米级的锯齿状缺陷，而经过优化的ICP工艺能把侧壁粗糙度控制在2nm以内。有个有趣的发现，在蚀刻过程中掺入适量氢气，能有效抑制锗表面的氧化层形成，这个技巧让器件的界面态密度降低了一个数量级。

应对不同应用场景的蚀刻方案

红外探测器需要超薄的锗吸收层，这时候反应离子束蚀刻(RIBE)就派上用场了。通过调节氩离子束的入射角度，能在100nm厚的锗膜上刻出垂直度超过88°的微结构。而做三维集成芯片时，Bosch工艺的深硅蚀刻那套方法要调整，因为锗和硅的刻蚀选择比会随着温度变化。有团队尝试在-20℃低温下进行交替蚀刻，实现了20:1的高深宽比结构。需要提醒的是，锗器件最后都要做钝化处理，氮化硅薄膜的沉积温度最好控制在300℃以下，否则锗衬底会产生位错。

从实验室走向量产还要跨过几道坎

虽然锗器件在性能指标上很漂亮，但大规模生产还要解决几个实际问题。首先是原材料成本，现在6英寸锗晶圆的价格还是硅晶圆的五倍左右。其次是工艺兼容性，现有的硅基设备要改造才能处理锗材料，特别是热处理环节要格外小心。不过随着5G毫米波和自动驾驶激光雷达的需求爆发，这些问题正在被逐个攻克。有厂商已经开发出锗硅外延生长技术，在标准硅生产线上就能制造锗器件。

（注：下半部分将具体分析锗器件在光通信和量子计算中的创新应用，以及新型原子层蚀刻技术的突破进展）