半导体材料是现代电子、光子、光伏、热电和许多其他半导体器件的基础，是计算机、手机、小工具、家用电器、汽车和其他设备不可或缺的组成部分。

超过99%的半导体器件是由硅晶圆制成或在硅晶圆上制造的。由硅、锗、碳或锡在硅或绝缘体上硅晶片上组成的新型IV族半导体外延结构为持续改进具有增强或新兴独特特性的最先进硅器件的特性提供了一条自然途径。

运营商的流动性

传导(电子)或价(空穴)带中的自由载流子的迁移率，以及相当大的能带隙，是任何半导体材料最重要的质量指标之一，决定了其在各种经典电子应用中的适用性，光电和传感器设备，以及新兴量子设备中的新应用。

更高的迁移率使设备能够以更低的功耗更快地运行，从而减少焦耳热耗散，这对于缩放和提高当前电子设备的速度至关重要。对于那些在低温下工作并旨在控制量子处理器的分布式寄存器的设备和电子设备来说，这一点更为重要。此外，载流子迁移率是量子器件的关键品质，通常在新发现中发挥关键作用。

应变锗半导体

锗是一种半导体材料，自第一个晶体管发明以来就一直用于半导体工业。与硅和各种III-V族化合物等其他半导体相比，它具有一些优势。特别是，如果可以通过应变工程提高锗中空穴的迁移率，这可能会导致开发具有独特性质的新型量子材料。量子材料是由于其量子性质而表现出独特的电子和磁性的材料，并且正在研究它们的广泛应用，包括量子计算、传感和能量存储。

硅上的半导体异质结构具有由组成材料的晶格不匹配引起的内置应变。它是用于材料能带结构工程的基本参数。但高迁移率应变硅、硅锗和锗异质结构的研发需要特殊的外延生长技术，如分子束外延和化学气相沉积等，结合外延知识和技术，才能克服这些材料异质外延的各种重大挑战。.

在我们最近发表在SmallScience杂志上的文章中，来自英国和加拿大的国际研究团队报告了空穴迁移率创历史新高，在外延应变锗半导体中达到430万厘米2V-1s-1，生长在标准硅片上。与现有技术相比，迁移率显着增加了四倍多，这使得空穴在第IV族半导体材料中的性能优于电子。在应变锗中证明的空穴迁移率是在最先进的应变硅中报道的最佳电子迁移率的两倍。任何其他半导体材料都没有观察到类似的情况系统。

除了创纪录的流动性之外，该材料平台还展示了一种独特的特性组合，即非常大的有效g*因子、低渗透密度和小有效质量。这种长期寻求的单一材料系统中的参数组合对于焦耳热减少的低温电子产品的研发以及基于自旋量子位的量子电子电路(包括马约拉纳费米子器件)的研究和开发非常重要。

这一重大突破的实现归功于最先进的外延生长技术的发展，最终实现了应变锗材料系统的卓越单晶质量，背景杂质和其他缺陷的密度非常低。这种结合了独特性能的卓越材料系统将为创新量子器件技术和量子以及经典电子学、光电子学和传感器中的应用带来新的机会。特别是，所获得参数的组合将有助于实现优质的横向门控量子器件。此外，可以可靠地模拟和预测这些孔的特性，以减少昂贵且非常耗时的实验试错尝试。

与其他材料的比较

这一成就缩小了在相同材料衬底上生长的砷化镓异质结构中最佳空穴迁移率之间的差距，最近刚刚从230万cm2V-1s-1增加到580万cm2V-1s-1.不幸的是，III-V族材料加工复杂，价格昂贵，与硅和锗相比在地壳中并不广泛存在，不以同位素纯形式存在，并且与最先进的硅技术不兼容大量生产。所有其他已知的半导体，包括III-V、II-VI、钙钛矿、2D材料等，都显示出比应变锗和砷化镓异质结构低得多的空穴迁移率。

我们认为，应变锗异质结构仍未达到最大迁移率，还有进一步改进的空间。显然，需要更详细的实验和理论研究来理解限制空穴迁移率的微观机制。

总的来说，这一提高应变锗中空穴迁移率的突破可能对新量子材料和技术的发展产生重大影响。看到这项研究的进展情况以及未来几年出现的新应用将令人兴奋。