锗衬底在光电器件与高频通信中的技术门槛与应用前景

在半导体材料家族中，锗（Ge） 一直是个特殊的存在。它比硅更“老”——第一代晶体管用的就是锗；它也比硅更“快”——载流子迁移率更高。但它的发光效率，一直是个短板。

这些年，科学家们一直在琢磨一个问题：锗衬底到底能不能在LED、激光器里“挑大梁”？能不能用在6G通信的芯片里？

锗衬底在LED/激光器领域仍面临位错密度、反相畴等核心技术门槛，但近期在VCSEL大尺寸化和中红外LED领域取得突破；在高频通信领域，2026年硅-石墨烯-锗晶体管的突破（132 GHz）为6G开辟了新路径。

一、LED和激光器：锗衬底面前的“五座大山”

大山1：位错密度太高

锗和III-V族材料（如GaAs）晶格不匹配，外延生长时会产生大量位错，密度高达10⁷–10⁸ cm⁻²。好消息是，通过缓冲层技术可以把位错密度降到10⁴ cm⁻²左右。

大山2：反相畴

锗是非极性材料，而GaAs是极性材料——两者“语言不通”，界面容易长出“错位”的晶体结构。解决办法是在As或P气氛中对锗表面做高温预处理。

大山3：间接带隙

锗是间接带隙半导体，天生发光效率不如直接带隙材料。解决办法是施加张应变，把锗“掰”成直接带隙。

大山4：材料太脆

锗质地较脆，加工大尺寸晶圆时容易断裂。

大山5：成本与工艺复杂度

以上问题都需要额外的工艺步骤来解决——缓冲层、预处理、应变工程……每一步都增加成本。

二、但进展是实实在在的

✅ 锗基VCSEL：良率在提升

2026年4月的一项研究系统对比了锗基和GaAs基VCSEL。结果发现：锗基器件的晶圆翘曲度降低72%，表面粗糙度降低40%，最佳器件的微分效率高出19%。虽然良率还有差距，但方向是对的。

✅ 中红外LED：10⁹位错照样能发光

2026年3月《Advanced Optical Materials》的研究显示，即使穿透位错密度高达10⁹ cm⁻²，PbSe/GaAs混合异质结LED仍能实现3.8 µm中红外发射，脉冲功率达400 µW。

✅ 6英寸锗衬底上长VCSEL

2025年7月，研究人员成功在150 mm（6英寸）锗衬底上生长了940 nm VCSEL-——大尺寸化迈出了关键一步。

三、高频通信：锗的“高光时刻”

如果说LED/激光器领域锗还在“爬坡”，那在高频通信领域，锗已经迎来了真正的“高光时刻”。2026年6月6日，《自然·通讯》发表重磅成果

中科院金属所孙东明、刘驰团队联合多家单位，研制出国际上首款实现射频测试的硅-石墨烯-锗势垒晶体管。

技术有多硬？

l 在锗衬底上生长晶圆级单晶单层石墨烯

l 再堆叠单晶硅膜，形成硅-石墨烯-锗垂直异质结构

性能有多强？

l 电流增益1.8×10⁷——晶体管界的世界纪录

l 截止频率132 GHz——超越所有同类器件

l 理论工作频率有望突破1 THz——进入太赫兹频段

l 对6G意味着什么？ 5G之后，6G要求晶体管工作频率突破1 THz。这个硅-石墨烯-锗晶体管，给出了一个可行的答案。

四、行情速览

截至2026年7月2日，锗均价23,350元/千克，高纯锗锭25,000元/千克，较去年底涨83%。全球单晶锗片2025年产能145万片，均价4680元/片。中国对锗实施出口管制，锗已成为典型的“战略筹码”。

一句话总结：锗衬底在LED/激光器领域仍在“攻坚”，但在高频通信领域已经“破局”——132 GHz的硅-石墨烯-锗晶体管，为6G时代开了一扇新门。