随着人工智能技术的飞速发展，芯片性能提升成为推动行业进步的核心动力。在这些芯片背后，硅锗（SiGe）作为一种半导体材料，正在悄然发挥着越来越重要的作用。

硅和锗同属IV族元素，锗位于硅的正下方，比硅多一个电子层。与较为传统的硅相比，硅锗凭借优异的电学特性，成为高频和高速数据处理的理想材料，在高速通信和边缘计算领域表现突出。那么，究竟是什么让硅锗脱颖而出？它在AI产业中又扮演着怎样的角色？

什么是硅锗？

要了解硅锗，首先需要了解硅和锗，尤其是锗：

1、硅（Si）

首先，硅（Si）是半导体产业的基石。因其丰富的自然资源和稳定的化学特性，广泛应用于各种电子器件中。作为大多数半导体器件的主要材料，硅拥有出色的导电性能和较高的热稳定性，特别适合用于常规的低频、高密度集成电路中。可以说，硅的应用让我们进入了信息时代，但在面对高频、高速的应用场景时，它的电学性能已经逐渐无法满足更高的需求。

硅晶片

2、锗（Ge）

而锗（Ge）是一种少见的半导体材料，早在1869年化学家门捷列夫在创建元素周期表时就预测了锗的存在，并将其命名为“类硅”，暗示它与硅有相似的性质。然而，直到1886年，德国化学家克莱门斯·温克勒才从银矿物中成功分离出锗，验证了门捷列夫的预测。

Ge金属

在20世纪20年代，科学家开始研究锗的电学性能，特别是其高电子迁移率。二战期间，锗凭借优秀的电学性能、较高的稳定性和低熔点，被用于制造雷达接收器中的点接触整流器，显著提升了性能。1947年，贝尔实验室发明了世界首个晶体管，锗成为主要材料，广泛应用于军事计算机、电话交换设备、收音机和助听器等。

世界上第一个晶体管——用锗制成

尽管锗在高频应用、射频器件和高速光电子器件中具备独特的优势，但其稀缺性限制了其大规模使用。随着硅技术的崛起，锗逐渐被硅取代，特别是在大规模集成电路中的应用。然而，锗依旧在一些特定领域占据重要地位。值得注意的是，2023年7月3日，中国商务部和海关总署发布公告，对锗及其相关物项实施出口管制，进一步彰显了这一材料的战略意义。

3、硅锗（SiGe）

虽然自打硅晶体管开始登上历史舞台，锗的许多应用就逐渐被硅取代，但是这并不意味着锗被扫入了历史博物馆。人们又为锗找到了新的应用——硅锗（SiGe）。它是硅与锗优势互补的理想材料组合，由IBM研究人员在20世纪70年代和80年代发现，迅速成为半导体领域的重要突破之一。

SiGe可以在几乎任何硅基板上生长，锗的加入赋予其比纯硅更优异的电学特性。SiGe不仅保留了硅的稳定性和低成本，还具备更高的电子迁移率和频率响应，大幅提升了器件在高频、高速环境下的性能。利用Si-SiGe连接的电路相比纯硅电路具有更快的电子迁移率。

SiGe外延晶片

此外，SiGe与传统的硅基工艺兼容，这使得它能够融入现有的生产流程，进一步降低了制造成本。因此，SiGe在无线通信、高速计算以及其他需要高频响应的领域得到了广泛应用，特别是在5G和光通信、雷达/激光雷达以及高速铜接口应用中，其性能优势尤为明显。

硅锗与AI产业的结合

SiGe技术的核心是SiGe异质结双极晶体管(HBT)。与传统的硅双极晶体管相比，SiGe HBT具有更高的速度、更低的噪声和更低的功耗等优势。这使得SiGe成为实现通信电路的理想选择，特别是在射频和模拟应用方面表现出色。

射频芯片QUBiC SiGe

而在如今发展得如火如荼的人工智能（AI）产业中，SiGe技术的前景主要体现在以下几个方面：

①高性能计算和信号处理：AI系统通常需要处理大量的数据并进行复杂的计算。SiGe器件能够在高频下工作，且功耗较低，适合用于构建高速信号处理器和通信模块，提升AI芯片的整体性能。

②5G与边缘计算：随着5G技术的发展，AI与边缘计算的结合日益紧密，设备（如智能手机、物联网设备等）需要在本地数据中心快速处理和传输数据，不会完全依赖云计算。SiGe材料在5G高频频段（毫米波）中表现出色，广泛应用于相关的AI硬件中，用于构建高效的射频前端和数据传输模块，满足相关系统的实时计算和通信需求，如此一来这些设备即使没有互联网连接也可以运行并独立做出决策。

③高精度传感器：SiGe材料凭借其低噪声特性、高电子迁移率和优异的光电响应能力，在构建高精度传感器方面展现出显著优势，在相关AI系统的数据输入和处理过程中发挥了重要作用。比如，SiGe传感器在自动驾驶和智能制造中能够增强视觉和环境感知功能。其关键在于，SiGe外延层应用于短波红外传感器时，可提高对短波红外光的探测灵敏度，提升信号处理的精度和效率。

总结

总之，在未来随着AI产业对更高速、低功耗的需求增长，SiGe材料可能在通信、数据处理等关键领域中获得更广泛的应用，尤其是在需要高频和低延迟的场景中。随着技术的不断成熟和工艺的优化，SiGe有望突破更多技术瓶颈，为5G网络、边缘计算以及新一代智能设备提供更强大的支持。

资料来源：

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