有時候，一項開創了根本性或戲劇性進步的技術或製程，很快就會被這項創新本身的變化或改進所取代，一個很好的例子就是鍺基(germanium-based)電晶體。在75年前的1947年，John Bardeen、Walter Brattain和William Schockley開發並展示了第一個電晶體——一個點接觸元件，從此開啟了固態與現代電子時代。這種電晶體使用了摻雜鍺，並利用微型彈簧將金箔觸點壓接在表面。

當時，這種點接觸元件的製造非常困難，產量也很低。到了1948年底，Schockley設計出了雙極結點電晶體，解決了棘手的點接觸方式帶來的問題，並很快成為標準設計。但後來業界發現矽(Si)具有更加優越的溫度屬性、較低的成本和更廣泛的原材料供應，進而逐漸成為半導體材料的首選。

鍺確實具有較低的正向壓降，約為0.4V，而矽的正向壓降則為0.7V。然而，矽的壓降較高這個缺點，完全被許多其他優點所掩蓋。迄今已有許多關於第一個電晶體歷史和技術的書籍與文章，最近發表在IEEE Spectrum上的一篇文章「How the First Transistor Worked」，對這兩個方面都作了很好的詮釋。

當然，現在的半導體世界主要以矽為基礎。沒錯，還會用到氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)，甚至還有針對特殊應用的碳化矽(SiC)，但絕大部分固態元件都是基於矽的。鍺的電子應用僅限於少數特殊的矽鍺(SiGe)元件，儘管這種化合物的載流子遷移率能達到標準矽的2~3倍，但目前肯定不是主流製程。

你仍然可以從NTE Electronics等供應商那裡買到鍺電晶體，在eBay上也有許多一手或二手商品，但它們遠不是主流產品。鍺現在的主要應用是光學系統，因為它對8~14微米熱頻段的紅外線光是相對透明，這使得它很適合用於鏡頭系統和熱成像系統中的光學視窗。另外，一些音樂愛好者堅持認為，鍺電晶體的音色比矽元件更好；不過這都不是本文要討論的內容。

鍺和矽鍺可能會迎來一個新的市場機會。最近，由維也納工業大學(TU Wien/Vienna)領導的一個多機構團隊已經設計出一種方法，來克服與矽和鍺化合物元件相關的可靠接觸問題。

其中最根本的問題是，採用傳統製程生產的每一個半導體表面都會被污染，特別是氧原子，它們在材料的表面上積累得非常快，並會形成氧化層。對於矽來說，這種情況是可以處理的，因為它總是形成同一種氧化物。然而，對於鍺而言，會形成一系列不同的氧化物。這意味著不同的奈米電子元件可能有非常不同的表面成分，從而呈現不同的電特性。

這就為製作關鍵的觸點帶來了問題。即使生產過程中採用完全相同的方式，在原子水準上仍然會不可避免地出現重大差異。這個可重複性問題是一個大問題；在把觸點放置到富含鍺的矽上之後，不能保證生產出來的電子元件全部具有預期的屬性。

在題為「Composition Dependent Electrical Transport in Si_1-xGe_xNanosheets with Monolithic Single-Elementary Al Contacts」的這篇論文中，描述了如何用品質極高的結晶鋁和複雜的矽鍺層系統開發觸點。這種方法實現了與鍺不同、獨特的觸點特性，特別適合於光電和量子元件。

為了走出這一困境，維也納工業大學的團隊開發出了一種方法，可在原子尺度上創建鋁觸點和矽鍺元件之間的完美介面，如圖1所示。第一步，用薄的矽層和製造電子元件的實際材料——製造矽鍺層系統。

圖1所示是經熱誘導的Al-Si_1-xGe_x交換後產生的Al-Si_1-xGe_x-Al異質結構示意圖，以及顯示真實元件的偽彩色掃描電子顯微鏡(SEM)影像。放大後的視圖為以單片方式嵌入推薦金屬-半導體異質結構中，並經磊晶式生長的Si-Si_1-xGe_xSi堆疊示意圖。從整個軸向Al-Si_1-xGe_x-Al異質結構的STEM影像和EDX圖來看，Al觸點的整合採用的是單片方式。

圖1：在原子尺度上創建鋁觸點和矽鍺間的完美介面。

接著以受控的方式對上述結構進行加熱，就會在鋁和矽之間產生一個觸點。在大約500℃時會發生獨特的擴散現象，即原子離開它們原來的位置並開始遷移。矽和鍺原子相對較快地進入鋁觸點，而鋁原子則填補空出的空間。

其結果就是在鋁和矽鍺之間形成一個介面，即一個極薄的矽層。在這個過程中，氧原子永遠沒有機會到達這個原子等級的相當清晰且高純度的介面。

該團隊認為，這種高品質的觸點可以投入大規模生產，從而製造出各種新的奈米電子、光電子和量子元件。因此，鍺和矽鍺應該還有新的機會，與矽及其他特殊的製程技術一起發光發熱。

另外，眾所周知，從實驗室到成熟的生產是一條艱難的道路，還有許多技術、良率和成本方面的羈絆需要克服。有時，獲得的收益可能與付出的努力並不相當。不過觀察這一進步是否會導致鍺在半導體世界中發揮更大、更好的作用還是很有趣。

鍺化合物元件能否捲土重來，或者與主流矽相比，技術和成本方面的負面因素是否還是太大？它是否仍然是值得我們期待的一種技術進步呢？

(參考原文：Germanium and SiGe may get another chance，by Bill Schweber)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年4月號

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