国产硅-28硅烷特气与外延片首次发布，化学纯度99.99998%，丰度99.99576%

10月22日，在第二届量子科技前沿论坛上，硅及先进半导体材料全国重点实验室联合浙江大学杭州国际科创中心量子信息硅团队，正式发布两项关键材料成果：高丰度硅-28硅烷特气与4英寸硅-28外延片。这是国内首次完整呈现从气源到固态基材的硅-28材料制备链条，标志着我国在硅基量子计算核心上游材料领域实现自主可控的阶段性突破。

硅-28之所以备受关注，源于其独特的核物理性质。自然界中硅存在三种稳定同位素：硅-28、硅-29和硅-30。其中，硅-28原子核自旋为零，不会产生核自旋噪声；而硅-29（天然丰度4.67%）具有非零核自旋，是导致量子比特退相干的主要环境干扰源之一。在量子计算中，延长量子态相干时间是提升运算能力的关键，因此高纯度硅-28被视为构建长寿命硅基量子比特的理想衬底材料。

然而，同位素分离技术长期构成重大壁垒。由于硅-28、硅-29、硅-30化学性质几乎一致，常规化学提纯方法无效，必须依赖物理法——如气体离心或激光选择性激发——对硅同位素进行富集。全球仅有少数机构具备量产高丰度硅-28的能力，此前国内相关材料严重依赖进口，制约了硅基量子芯片的自主研发进程。

此次发布的硅-28硅烷特气（化学式SiH₄），经中国计量科学研究院权威检测，其硅-28同位素丰度达到99.99576%，化学纯度高达99.99998%。需特别说明的是，这两个指标含义不同：化学纯度反映杂质元素总量（如氧、碳、金属等），99.99998%意味着每百万份中杂质不超过2份；同位素丰度则衡量硅原子中硅-28所占比例，99.99576%即每10万硅原子中仅约4.24个非硅-28同位素。

依托该特气，团队成功生长出4英寸硅-28外延片。二次离子质谱（SIMS）检测显示，外延层中硅-28丰度为99.9937%，与气源丰度基本一致，表明在化学气相沉积过程中未发生显著同位素稀释——这是工艺成熟度的重要标志。外延片作为量子器件制造的直接衬底，其质量直接影响后续栅极结构、量子点定义及界面缺陷控制。

该项目由中科院院士杨德仁与浙江大学教授余林蔚领衔，属国家级课题“量子信息硅-28同位素外延片制备及应用”的阶段性成果。值得注意的是，今年6月中核集团核工业理化工程研究院已宣布实现丰度超99.99%的硅-28同位素自主量产，但当时仅完成富集环节，尚未打通向下游外延材料的转化路径。本次浙大团队的成果，首次实现了从同位素富集→高纯特气合成→外延生长的全链条贯通，补齐了国产硅基量子芯片研发中最薄弱的一环。

从产业角度看，硅-28材料的价值不仅限于量子计算。其超低核噪声特性同样适用于高精度惯性传感、单光子探测器、超导量子干涉器件（SQUID）等对环境稳定性要求严苛的微纳系统。随着制备成本逐步下降，未来有望拓展至高端MEMS、射频滤波器及新型神经形态计算硬件领域。

不过，材料突破不等于器件成功。当前公布的数据均为材料表征结果，尚未涉及以该外延片制造的实际量子器件性能。例如，量子比特的相干时间（T₂）、单比特门保真度、两比特门串扰等核心指标仍需通过后续器件流片与测试验证。团队在成果发布中明确将其定位为“阶段性突破”，强调从材料到可用芯片之间仍存在多重技术关卡：包括界面态钝化、掺杂均匀性控制、纳米尺度电极集成等。

国际上，英特尔、荷兰QuTech、澳大利亚UNSW等机构已基于商业采购的高丰度硅-28材料实现超过100微秒的电子自旋相干时间，并演示了多量子比特耦合。国内此次材料自主化，为后续器件攻关提供了必要前提，但真正实现性能对标仍需数年持续投入。

值得肯定的是，该成果体现出我国在先进半导体基础材料领域的系统性布局能力。不同于以往“重设计、轻材料”的路径，此次从同位素富集源头切入，覆盖气体合成、外延工艺、检测标准等全环节，为未来构建自主可控的量子硬件生态打下坚实基础。尤其在中美科技竞争背景下，关键原材料的本土化供应已成为国家战略安全的重要一环。

目前，团队正推进6英寸硅-28外延片的工艺开发，并探索硅-28与锗硅异质结、硅空位色心等新型量子体系的兼容性。随着更多研究机构加入该方向，国内硅基量子技术的产业化路径正逐步清晰。