重塑光電子學，科學家開發常溫常壓下穩定的新型半導體材料鍺錫合金

矽在半導體材料競賽長期佔據霸主地位，但它在光電領域的「先天缺陷」也侷限了成長空間。最近研究人員開發一種由鍺、錫組合而成的新型半導體材料，能比矽半導體更有效吸收和發射光，或可成新一代高效能半導體。

矽是現代電子產業基石，多數電腦、手機等電子產品晶片都以矽為主，目前仍難被其他材料取代。

儘管矽具技術成熟、成本低廉優勢，卻因「間接能隙」（indirect bandgap）特性使矽的發光效率遠低於直接能隙材料（如砷化鎵 GaAs），無法直接作為高效雷射或 LED 光源元件，在光電領域難大展身手。

為了在晶片實現光通訊（比電子傳輸更快、更節能）目標，工程師必須將昂貴三五族材料（如砷化鎵）異質整合到矽晶片，製程複雜且成本高昂，因此科學家也長期致力於開發四族材料替代方案，其中鍺錫合金（GeSn）被視為半導體「聖杯」。

與 III-V 族材料不同，鍺、錫都是 IV 族元素，在鍺晶格摻入特定比例錫可改變能帶結構，使其轉變為「直接能隙」材料，從而具備高載子遷移率，IV 族元素又與現有矽積體電路製程高度相容，在光電應用領域受到廣泛關注。

過去鍺錫合金開發主要挑戰在於這些元素正常條件下不會相互發生化學反應，直到最近愛丁堡大學領導的團隊將鍺、錫混合物加熱至 1,200℃，同時施加高達 10 GPa 壓力，最終成功製造出能在常溫常壓下穩定的鍺錫合金。

無論是新一代電子設備或電力需求不斷增長的數據中心，未來都寄望利用光傳輸提高能源效率的新材料使裝置速度更快、能耗更低。

新論文發表在《美國化學學會期刊》（American Chemical Society，ACS）。

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（首圖來源：pixabay）