半導體物理學的發(fā)展及啟示

劉 巖

(云南農業(yè)大學 人文社會科學學院，云南 昆明 650201)

半導體物理學作為凝聚態(tài)物理學的一部分，已經發(fā)展了半個多世紀，并逐漸成為一個充滿活力、發(fā)展最為迅速的前沿學科。以此理論為基礎生產出的半導體器件在微電子、計算機、通訊以及相關領域發(fā)揮著不可替代的作用。半導體科學技術對我們的社會具有巨大影響，我們可以在微處理器芯片以及晶體管的核心部位發(fā)現(xiàn)半導體的身影，任何使用計算機或無線電波的產品也都依賴于半導體。半導體物理的發(fā)展不僅有力地推動了現(xiàn)代科學技術的發(fā)展進程，而且從根本上改變了當代人類社會生活的面貌。

一、半導體物理的早期發(fā)展

20世紀30年代初，人們開始將量子理論應用到晶體中去解釋其中的電子態(tài)。1928年布洛赫(F. Bloch)提出了著名的布洛赫定理，發(fā)展并完善了固體的能帶理論。1931年威爾遜(H.A.Wilson)應用能帶理論給出了區(qū)分導體、半導體和絕緣體的微觀判據(jù)，從而奠定了半導體物理的理論基礎。

20世紀40年代, 貝爾實驗室積極開展半導體研究, 組織了一批極有才能的科學家在科學前沿領域工作。1947年12月23日，巴丁(J. Bardeen)和布拉頓(W. H. Brattain)宣布了點接觸晶體管試制成功。1948年6月26日，肖克利(W. B. Shockley)研制成功了結接觸晶體管。由于這三位科學家所做出的杰出貢獻, 使他們共同榮獲了1956年的諾貝爾物理學獎[1]。晶體管的發(fā)明是二十世紀最偉大的發(fā)明之一, 它深刻地改變了人類技術發(fā)展的進程和面貌, 充分顯示出科學研究的重要作用。

晶體管的發(fā)明是社會工業(yè)化發(fā)展的必然結果。早在20世紀30年代, 生產電子設備的企業(yè)就希望能有一種電子器件具有電子管的功能但卻沒有電子管中的燈絲, 因為加熱燈絲不僅消耗能量而且需要加熱時間, 這就延長了工作時的啟動過程; 而且燈絲具有一定的壽命, 連續(xù)使用一年半載就要更換。這些缺點給電子設備的設計者和使用者帶來很多不便。因此，貝爾實驗室的研究人員根據(jù)半導體能起到整流和檢波作用的特性, 考慮并研究了用半導體取代電子管的可能性，提出了研制半導體三極管的設想。歷經數(shù)年的研究和探索，直到1947年12月，研究小組經過反復實驗最終研制成功了一種能夠替代電子管的固體放大器件，由于該器件主要由兩根金屬絲與半導體進行點接觸而構成, 因而被稱為點接觸晶體管。隨后，貝爾實驗室的場效應晶體管和結型晶體管的研究工作也取得成功。至此，一個歷史性的新紀元開始了。

20世紀50年代，晶體管所具有的重要的應用價值使得半導體物理的研究蓬勃展開。眾多學者開始對半導體的能帶結構、半導體載流子的平衡及輸運、半導體的光電特性等進行理論和實驗的研究，半導體物理逐漸發(fā)展成為一個完整的理論體系，隨后PN結、異質結、金屬——半導體接觸理論的研究也已發(fā)展成熟，現(xiàn)今半導體異質結構已經成為制造高頻晶體管和激光器的關鍵結構。20世紀60年代，半導體物理的發(fā)展已達到成熟與推廣時期，以此為基礎迎來了微處理器和集成電路的發(fā)明，微電子工業(yè)得到突飛猛進的發(fā)展，為信息化時代的到來鋪平了道路。1958年，安德森(P. W. Anderson)提出了局域態(tài)理論，開創(chuàng)了無序系統(tǒng)研究的新局面，為非晶態(tài)半導體物理的研究奠定了基礎。1967年，Grove和Deal等人對半導體表面物理的研究取得重要進展，從而使Si-MOS集成電路的穩(wěn)定性得以顯著提高。1969年，江崎(L. Esaki)和朱兆祥(R. Tsu)[2]提出可以通過人工調制能帶的方法制備半導體超晶格，從而使得人們可以對此微結構獨特的物理特性和二維電子氣進行研究。也正是在半導體超晶格的研究中，1980年馮·克利青(K. V. Klitzing)[3]發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應，1982年崔琦(美籍華裔物理學家)等發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應，這些半導體低維物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭開了現(xiàn)代半導體物理發(fā)展的序幕。

二、半導體超晶格物理的發(fā)展

半導體超晶格物理的建立是半導體能帶理論發(fā)展的必然。能帶理論建立起來后，人們對各種規(guī)則晶體材料的性能有了相當?shù)恼J識，進而建立了以能帶理論為基礎的半導體物理體系，并以此來解釋出現(xiàn)的現(xiàn)象。接下來人們必然會想到人為改變和調制能帶去制備新的材料，以期獲得最新的效應及新的用途。

1969年和1976年誕生的分子束外延(MBE)和金屬有機物化學汽相沉積(MOCVD)薄膜生長技術為整個半導體科學帶來一場革命。隨著這些微加工技術的進步和發(fā)展，實現(xiàn)了晶體的低速率生長，加之超凈工作條件的建立，使得人們能夠制造出高質量的異質結構，它具有所設計的勢能輪廓和雜質分布，其尺度可以控制到單原子層，為新型半導體器件的設計與應用奠定了技術基礎。

1969年，在美國IBM公司工作的江崎(L. Esaki)和朱兆祥(R. Tsu)[2]首次提出了“超晶格”概念，即利用半導體微加工技術，人工制作的一種周期性結構，其周期僅為天然材料晶格常數(shù)的若干倍。這里“超”的含義是指在天然的周期性以外又附加了人工周期性。1971年，卓以和(A. Y. Cho)[4]用分子束外延(MBE)技術生長出了第一個GaAs/AlxGa1-xAs超晶格材料。由此便揭開了超晶格、量子阱、量子線和量子點等低維半導體材料研究的序幕，人們可以根據(jù)自己的意愿和需要，調制半導體晶格周期結構，制造出人工晶格，實現(xiàn)特定的物理性質和技術要求。

利用MBE和MOCVD等超薄層生長技術將兩種禁帶寬度不同、但晶格常數(shù)匹配較好的半導體材料(包括III-V和II-VI族化合物以及Ge-Si半導體系統(tǒng))按不同方式組合交替生長在一起，就可以構成異質結、量子阱或超晶格等人工剪裁結構。如果進一步對載流子的運動附加維度限制，即可構成準一維結構“量子線”，甚至構成完全受限的準零維結構“量子點”。

超晶格、量子阱、量子線、量子點等半導體低維納米結構具有能帶人工可剪裁性、量子約束效應、共振隧穿效應、超晶格微帶效應、二維電子氣效應、電子波量子相干屬性、負磁阻效應和量子霍爾效應等重要性質。這些微結構因其特殊的物理性質、廣闊的應用前景而成為引人矚目的研究對象，相關的研究豐富了人類對微觀世界的認識，有力地推動了凝聚態(tài)物理的整體發(fā)展。

三、半導體低維材料和納米量子器件的研究進展

新材料的出現(xiàn)和新效應的產生為新器件的設計開辟了廣闊的道路。超高速邏輯器件、高性能光電子器件及其集成電路系統(tǒng)代表了當今器件發(fā)展的趨勢，小型化、功能化和量子化顯示了器件發(fā)展的新特點。如今，采用各種納米結構, 設計和制作納米量子器件已經成為半導體科學技術中最為活躍的前沿領域。這類納米器件包括基于單電子效應和共振隧穿效應的單電子晶體管、存儲器和共振隧穿量子器件，以及基于量子限制效應的量子點光電子器件等[5-6]。

1．單電子器件與電路

基于庫侖阻塞和單電子隧穿的單電子器件, 是納米量子器件研究的主攻方向, 它是克服集成電路物理極限和工藝極限的一條重要途徑。經過十幾年的努力, 人們已在采用不同結構形式和制備技術試制了單電子晶體管, 并研究了其單電子輸運現(xiàn)象。今后的主要任務是將合理的器件結構形式與優(yōu)化的工藝技術相結合, 制備出可在較高溫度, 乃至室溫下工作的單電子器件, 并能實現(xiàn)其單電子集成電路。

2．納米光電子器件

該類器件主要包括量子點光探測器、量子點單光子源、量子點激光器和量子級聯(lián)激光器等。中紅外量子級聯(lián)結構激光器是一種基于量子阱導帶中子帶間躍遷的新型激光器, 由于它在大氣探測、工業(yè)煙塵分析和科學監(jiān)測等方面具有重要應用而被人們廣泛關注。迄今, 人們已采用不同有源區(qū)材料和結構形式, 制作了各類能工作在3～10 μm波長的量子級聯(lián)激光器。今后的發(fā)展趨勢是充分利用半導體能帶工程, 優(yōu)化組合材料類型、結構形式與工藝方法, 以制備出能在室溫下連續(xù)工作, 而且具有高輸出功率和低閾值電流密度的中紅外、甚至遠紅外的量子級聯(lián)激光器。

3．石墨烯晶體管

2004年，英國曼徹斯特大學的物理學家安德烈·海姆(A. K. Geim)與康斯坦丁·諾沃肖洛夫(K. S. Novoselov)[7]利用微機械剝離法首次成功地制備出了一種新型碳基納米材料——石墨烯(Graphene)，并于2010年10月5日獲得諾貝爾物理學獎。

石墨烯是一種由單層碳原子構成的薄膜。這是目前世界上最薄的材料，僅有一個原子厚(0.335納米)，是一種理想的二維量子體系。單層石墨烯是零帶隙的半導體，其最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的三百分之一，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯具有超高的導電性和導熱性。此外，石墨烯高度穩(wěn)定，即使被制作成1納米寬的元件，導電性也很好。

早在集成電路發(fā)明后不久的20世紀60年代初，英特爾(Intel)創(chuàng)始人之一——摩爾(G. Moore)就預言了一條經驗規(guī)律：在同樣芯片價格水平上，每過18～24個月，集成電路單位面積上可容納的晶體管數(shù)目便會增加一倍。這就是半導體業(yè)著名的摩爾定律，直到現(xiàn)在仍然適用。另一個標志芯片集成度的量是最小結構的線條寬度(特征尺度)，它是由刻蝕技術決定的。單位面積上器件的密度增大，實際上就是器件尺寸減小了。2010年硅集成電路的特征尺度已達到45納米，預計2016年特征尺度可達到22納米，到2022年將達到10納米。目前，集成電路晶體管普遍采用硅材料制造，由于量子效應的限制，當硅材料尺寸小于10納米時，用它制造出的晶體管穩(wěn)定性將變差，因此硅材料的加工極限是10納米線寬。人們普遍認為，10年之后以硅為核心的傳統(tǒng)微電子器件將面臨無法避免的困境，摩爾定律將很難繼續(xù)有效。

值得慶幸的是由安德烈·海姆與康斯坦丁·諾沃肖洛夫率領的研究小組已研制出了10納米級可實際運行的石墨烯晶體管，他們采用標準的晶體管工藝，首先在石墨烯上用電子束刻出溝道，然后在所余下的被稱為“電荷島”的中心部分封入電子，形成量子點。石墨烯晶體管僅有1個原子厚、10個原子寬，其柵極部分的結構為10納米的量子點夾著幾納米的絕緣介質。由于施加電壓后會改變該量子點的導電性，所以量子點就像標準的場效應晶體管一樣，能夠記憶晶體管的邏輯狀態(tài)。今后的發(fā)展趨勢是研制長寬均為1個分子尺度的更小的石墨烯晶體管，其傳輸速度將遠遠超過目前的硅晶體管，有希望應用于全新超級計算機的研發(fā)。因此，石墨烯被普遍認為最終會替代硅，從而引發(fā)一場新的電子工業(yè)革命。

四、半導體物理發(fā)展的規(guī)律、特點及啟示

以上, 對半導體物理的發(fā)展歷程進行了簡單回顧。從中得到了以下幾點有益的啟示。

1．半導體物理的發(fā)展始終與科學實驗以及工業(yè)技術應用緊密聯(lián)系

晶體管的發(fā)明與發(fā)展過程表明，二十世紀30年代以前，人們己經制成整流器、光電探測器、檢波器等半導體器件，并在實驗中發(fā)現(xiàn)了金屬——半導體接觸材料上的一些導電特性，但卻無法理解其中的物理機理。直到能帶理論建立以后，以此為基礎才建立起金屬——半導體接觸理論。后來在實驗過程中人們發(fā)現(xiàn)這個理論和實驗測量有出入，于是提出了半導體表面態(tài)理論來解釋這一現(xiàn)象。正是由于在實驗中考慮到半導體表面態(tài)的影響，貝爾實驗室才最終研制成功了晶體管。晶體管的發(fā)明引起人們對半導體的廣泛興趣，這又大大促進了半導體物理的發(fā)展。由此可見，半導體物理的發(fā)展和實驗是分不開的，往往由于新的實驗事實促進人們建立相應的理論，而理論的發(fā)展又反過來指導實驗的研究，促進技術的進步與完善。

19世紀30年代英國物理學家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應定律，為電力的廣泛運用奠定了理論基礎，架起了電能與機械能相互轉化的橋梁，從而為開始于19世紀70年代的第二次工業(yè)革命(電氣化革命) 鋪平了道路。與此相似，20世紀中期發(fā)明的晶體管的理論基礎可以追溯到1931年威爾遜的能帶理論。晶體管的研制成功以及大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，引起了第三次工業(yè)革命，這是涉及信息技術、新能源技術、新材料技術、生物技術和空間技術等諸多領域的一場信息控制技術革命，它把人類社會帶進了一個新的時期——數(shù)字化信息時代。晶體管的研制過程再次印證了以下觀點：科學發(fā)現(xiàn)導致技術發(fā)明, 技術的進步終將引起新工業(yè)的產生。

2．半導體物理研究與材料、器件和工藝相結合，有利于促進半導體科學技術的發(fā)展

新的工藝能夠創(chuàng)造新的材料, 新的材料孕育著新的物理效應, 基于新的效應能夠研制新型器件，而新型器件性能的提高又必將促進工藝技術的進步。例如石墨烯的發(fā)明，早在二十世紀50年代物理學家就已在理論上預言了單層石墨烯的許多奇特性質，但直到最近幾年，隨著半導體工藝水平的不斷進步，人們才能夠成功制備出石墨烯。而石墨烯的電子性質中蘊含著豐富的物理效應，例如：相對論性電子效應、反常量子霍爾效應，弱局域化效應等[8]。與石墨烯相關的新物理正在不斷地被揭示出來，對它們的研究有力地推動了凝聚態(tài)物理理論的發(fā)展。同時石墨烯晶體管等相關器件的研制成功必將對整個電子信息產業(yè)產生深遠的影響。可以想見，今后這一發(fā)展模式仍將貫穿于半導體科學技術的發(fā)展過程中。

3．半導體物理發(fā)展的一個顯著特點是和社會生產密切相關

20世紀30年代通訊工業(yè)的發(fā)展使替代真空電子管成為必然的需要，在此社會背景下，30年代初貝爾實驗室開始探尋新的固體器件來代替電子管，于是展開了半導體物理的研究和半導體材料及其工藝的開發(fā)，并相繼成功研制了多種半導體器件：熱敏電阻、氧化銅變阻器、碳化硅變阻器、點接觸鍺檢波器、點接觸晶體管、面接觸晶體管、場效應晶體管、發(fā)光二極管、光生伏特電池等。60年代后，隨著非晶態(tài)半導體物理的發(fā)展，人們制成了非晶態(tài)半導體開關器件及計算機存儲器件。在對半導體超晶格的研究過程中，制成了量子阱激光器、光雙穩(wěn)器件、高電子遷移率晶體管、共振隧穿器件等納米量子器件。21世紀以低維半導體技術為中心給人類工業(yè)帶來一個全新的納米時代。半導體物理的發(fā)展為新的半導體器件的研制提供了可能，這些器件在人們的生產、生活領域發(fā)揮著巨大的、不可替代的作用，而半導體器件的生產和銷售所獲得的巨大利潤又為半導體物理的基礎研究提供了物質保障條件。同時隨著微電子、計算機等領域的發(fā)展，進一步提出對新的半導體器件的需求，又將大大促進半導體物理的發(fā)展。

總之，晶體管等半導體器件的發(fā)明源于社會需求導向的牽引，是科學推力和需求拉力相結合的碩果。雖然新技術的產生直接來源于科學研究的探索, 但科學研究項目的決策、組織都體現(xiàn)著潛在的需求。通過有效的組織能夠把科學推力和需求拉力結合在一起, 即把科學研究可能帶來的新進展和技術本身的發(fā)展需求聯(lián)系在一起。這需要學術界和產業(yè)界廣泛而深入的合作, 使科學研究的應用潛力能夠與社會經濟發(fā)展的重要領域相結合，這是科學技術得以快速發(fā)展的原動力。

[參考文獻]

[1]閻康年，貝爾實驗室[M]. 保定: 河北大學出版社, 1999: 147-188.

[2] L ESAKI, R TSU. Superlattice and negative differential conductivity in semiconductors[J]. IBM. J. Res. Dev.1970(14):61.

[3] K V KLITZING，G DORDA, M PEPPER. New Method for High-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resistance[J].Phys. Rev. Lett. 1980(45)：494.

[4] A Y CHO. Growth of Periodic Structures by the Molecular-Beam Method[J]. Appl. Phys. Lett. 1971(19)：467.

[5] 王占國， 陳涌海， 葉小玲，等. 納米半導體技術[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2006: 308-383.

[6] 謝樹森，雷仕湛.光子技術[M]. 北京: 科學出版社， 2004: 723-731.

[7] K S NOVOSELOV.Electric field effect in atomically thin carbon films[J].Science， 2004：306, 666-669.

[8] A K GEIM ，K S NOVOSELOV. The rise of grapheme[J]. Nature Materials，2007(6)： 183-191.