纪念晶体管60周年与半导体科技展望

      引 言

       1947年12月16日，来自贝尔实验室的巴丁和布拉顿宣布了Ge点接触晶体管试制成功，1948年6月26日肖克莱获得了面结型晶体管专利，即人所共知的晶体管的发明。由于这三位科学家对这一划时代发明所作出的杰出贡献，使他们共同荣获了1956年的诺贝尔物理学奖。

        晶体管的发明，终结了真空电子管时代，开辟了半导体科学技术发展的新纪元。它的确立与发展，从根本上改变了人类社会生活的面貌，极大地促进和推动了自然科学、高新技术乃至整个社会发展的历史进程。信息化、网络化、自动化和智能化是现代科技与社会发展的主要特征，作为这些高新技术的基础与先导，半导体科学技术功不可没。

       半导体科学技术在20世纪留下了浓墨重彩的一笔，并将在21世纪继续绘制更新更美的蓝图。本文拟从下述多个方面展望半导体科学技术的发展趋势，以纪念晶体管发明60周年。

      21世纪的半导体科学技术

       低维物理的研究不断深入

　　所谓低维物理是指由能带工程实现的半导体超晶格、量子阱、量子线和量子点这类低维结构所具有的独特物理性质。作为凝聚态物理学中一个最活跃的前沿，低维物理有着丰富的研究内容，蕴藏着深刻的科学内涵，它吸引着一代又一代物理学家为之探索。近20多年来，人们已从电子结构、输运性质、磁学性质、光学性质和器件应用等方面对其进行了卓有成效的研究。　　

     其中，量子霍耳效应和分数量子霍耳效应分别在1985和1998年荣获诺贝尔物理学奖就是一个明显例证。进入21世纪，低维物理的研究将主要在以下几个方面展开。

      (1)自旋相干的电子输运

　　自旋电子学是融半导体电子学、磁学和光学为一体而迅速发展起来的一门新兴学科，自旋相干的电子输运则是自旋电子学中最核心的研究内容。它所涉及的物理对象是自旋与磁性杂质的相互作用、自旋极化状态的控制、自旋极化电子注入与输运、自旋操纵与检测、电子态的塞曼分裂、耦合量子点的近藤共振等。这些新效应的深入研究，将为下一代量子效应器件的设计提供物理依据。

       (2)量子点系统中的电子输运

　　在量子点结构中，由于电子在横向和竖直方向上都受到量子限制作用，因此会产生一些新的输运现象。例如，当孤立量子点与电子库之间存在微弱耦合时，电子输运会呈现出明显的振荡特性；在由电子束光刻制作的微结构中，会出现电子输运的精细结构；在双量子点或多量子点系统中会观察到共振隧穿现象；此外，电子与空穴的库仑相互作用会形成多激子状态和光学非线性效应。未来的实用化单电子、共振隧穿量子效应以及量子点光电子器件等，将以这些新现象为物理基础而诞生。

       (3)激子的玻色-爱因斯坦凝聚

　　激子是固体中的一种元激发。研究低维半导体结构中的激子特性，对促进激子效应在新型半导体光源和半导体非线性光电子器件领域中的应用具有重要意义。玻色．爱因斯坦凝聚主要研究半导体量子阱中电子和空穴在空间上的分离、激子的冷却速度与寿命、激子的准凝聚态以及在强光照射下激子的特性等。

       (4)电子态的局域化

　　载流子局域化是固体材料中一个相当普遍的物理现象。近年来，以量子点、纳米微粒和原子簇等为主的新颖低维结构材料与复合微结构层出不穷。由于这些微结构都是在局部形成一个势能极小区以限制载流子的运动，从而产生所谓的局域电子态，因此对材料的光电性质产生深刻的影响。研究局域态的密度分布、载流子所在的局域态能量以及局域化电子态的集体荧光等是今后主要的研究课题。

       (5)单光子效应

      迄今，人们对电子的控制已驾轻就熟，而对光子的利用却不那么得心应手。随着通信与计算机技术的飞速发展，单光子的产生、发射与探测等单光子效应，已成为目前信息密码、量子计算和量子保密通信中所面临的一项关键技术。其主要研究内容包括单光子发射、激子跃迁、双激子跃迁引起的聚束和反聚束效应以及相干的光子测量等。

        纳米材料的研究方兴未艾

　　作为纳米科学技术领域的一个最活跃前沿，纳米材料的制备、开发与应用的研究风起云涌，而纳米半导体材料则是纳米材料科学中的一个重要组成部分。由于纳米薄膜、纳米微粒、纳米团簇、纳米量子点等所显示出的新颖电、磁、光以及力学性质等，使其在未来的纳米电子器件与纳米光子器件中具有潜在的应用。目前，纳米半导体材料正处于蓬勃发展的时期，今后它的发展将主要集中在GaN，ZnO，CdS，ZnS，Si，Ge以及碳纳米管等方面。

       有机半导体的研究蓬勃发展

       随着发光材料、技术与产业的长足发展，有机半导体材料，特别是有机电致发光材料与器件近年呈现出强劲的发展势头。一种基于双极注入复合发光型显示，即有机电致发光二极管(OLED)的研究成为目前人们关注的焦点。与无机薄膜电致发光显示器件相比，OLED具有全固体化、主动式发光、视角大、响应速度快、重量轻、成本低以及可在柔性衬底上制备等优势，因此备受科学界与产业界的广泛重视。但目前它在发光效率、器件寿命和发光单色性方面仍存在着明显的差距，为此，应做好以下几个方面的工作。

        (1)提高器件发光效率

　　在发光材料选择、能量转移过程的控制和器件结构设计等方面共同努力。作为发光材料应利用具有高荧光量子效率的小分子有机化合物、高分子聚合物、三重态磷光材料以及树枝状有机发光材料。在器件结构方面，采用多层结构是一条可行途径，因为这样可以提高载流子的注入水平，并将它们限制在发光层内，从而有效地提高两种载流子的复合概率和器件的发光效率。

        (2)提高器件的稳定性

　　器件的稳定性是整体器件技术指标的综合体现，是使其能否真正实用化和产业化的关键。与无机固体薄膜器件相比，OLED在这方面尚有着明显的劣势。这需要从材料选择、成膜质量、器件结构、封装工艺和驱动技术等方面统筹考虑。

        (3)柔性化衬底技术

　　将OLED的可卷曲柔性显示特点与有机薄膜晶体管结合起来，可以更充分展示有机半导体技术的独特魅力，并获得人们所梦想的电子报纸、墙幕电视和衣袖上的显示器等。为了达到这一目的，必须克服柔性材料基体的平稳度较差和器件易老化的问题。对基片进行合理的人工改性和制备聚合物陶瓷类交替的多层膜结构，将是一些行之有效的方法。

      (4)全彩色OLED的实现

　　红色、蓝色和绿色是构成白光显示的三基色。目前，蓝光发射OLED的研究比较成熟，而红色OLED的研究相对落后。因此开发新的材料、新的成膜技术、新的器件制作工艺则是当务之急。白光LED是显示技术今后发展的主流，将出现一个新的产业链。蓝色芯片／荧光体组合及UV芯片／荧光体组合是实现白光OLED的主要途径。
光电子集成的研究初露端倪

　   光电子集成电路是一类将光电子器件和微电子器件集成在同一芯片或衬底上的新型光电子系统，它具有比单个器件更齐全的光电或电光转换功能。一般来说，光电子集成应当包括单片光电子集成和混合光电子集成。前者为在同一芯片上利用半导体制作工艺，将不同器件结构做在一起而集成的芯片；而后者则是器件芯片在不同的衬底上制成，是通过焊料将不同芯片焊在同一衬底上以实现异质薄膜材料的转移，构成新的光电子集成电路。目前，光电子集成尚处于起步阶段，虽然它远没有电子集成那么成熟，但光通信技术的需求牵引将使得光电子集成在21世纪有望获得突破性进展。为此，以下几个方面的问题应予以重视。

       (1)材料选择

       迄今，光电子集成的材料主要集中在GaAs，InP和Si这三大类材料方面。GaLAs和InP是m-V族化合物半导体，它们的直接带隙性质可作为激光器、发光二极管和光探测器的有源区。但由于它们价格昂贵，工艺难度较大，因此限制了其快速发展。近年来，Si基光子学有了长足的进步，Si基光探测器、发光二极管、光开关、光调制器和分束器等相继问世。此外，由于Si器件制作工艺成熟和si材料价格低廉的优势，使得Si基光电子集成前景十分诱人。最近，美国英特尔公司和加州大学圣芭芭拉分校的研究人员，成功地试制成世界上首例混合Si激光器，标志着Si基光电子学研究开始进入了一个新阶段。

       (2)器件结构

       就光电子器件结构而盲，一般多采用异质结、量子阱和超晶格等低维量子结构。因为利用这些结构可以实现对载流子的量子限制作用，设计和制作性能良好的发光器件。而选择生长和局域外延等工艺，能直接制备出带有各类立体图形的量子结构，这为光电子器件的实现提供了极大便利。

        (3)电路设计

      电路设计和制作工艺二者之间的相容性问题，一直是困扰着光电子集成难以快速发展的关键。光电子集成通常有三种基本结构，即纵向、横向和平面集成结构。三者各有其优缺点，但由于平面集成结构是将所有光电子器件，通过集成电路的各种平面工艺技术实现光电子集成，因而具有良好的发展前景。

       (4)工艺开发

　   光电子集成的实现有赖于新工艺的开发，如异质外延、光蚀刻和SOI(silicon on insulator)技术等。在各种新工艺中，近年迅速发展起来的键合工艺颇具潜力，它可以将某一光电子芯片成功地转移至另一种异质半导体材料上。例如，在GaAs或InP上做好的激光器，可以成功地利用键合工艺转移到Si衬底上。如果Si衬底上已做好了电子集成电路、探测器、光波导，那么再在其上面键合上带有发光器件的GaAs或InP光电子集成电路，便可以构成“混合”光电子集成芯片。

       自组织化生长的研究渐趋成熟

　   自组织化生长是伴随着纳米半导体材料的研究而迅速发展起来的一项工艺技术，目前已在各种量子点结构、纳米晶粒和纳米薄膜的制备中发挥着重要作用。它的主要工艺特点是，通过选择合理生长机制和严格控制工艺条件，可以在固体表面上形成具有高密度和小尺寸的量子点微结构。由于这类低维体系具有显著的三维量子限制作用，态密度被高度压缩，因而在各类光电子器件中具有广阔的应用前景。但目前它们的主要不足是，量子点的尺寸和密度分布还不够均匀，以致于制约了器件实用化。因此，如何生长出具有尺寸一致和分布均匀的有序阵列纳米结构，是自组织生长所面临的一项重要任务。

        (1)表面预成核位置上的自组织生长

        基于S K模式的固体表面上量子点的自组织形成，是目前自组织生长技术的主流工艺。利用分子束外延方法，已在GaAs衬底上成功制备了InGaAs和InAs量子点，在Si衬底上生长了Ge量子点。通过引入空间层结构、控制浸润层厚度、改变量子点层数、或置入位错网络等，合理调整表面的应变能，以获得预成核位置，是实现有序量子点自组织生长的有效途径。

       (2)掩蔽图形衬底表面上的自组织生长

       获得均匀有序量子点阵列生长的另一条通路是采用人工设计的原子结构表面或带有图形的衬底表面，如再构表面、台阶表面、吸附表面以及介质层掩蔽的表面等。与常规的固体表面相比，由于这些特定图形的表面具有较低的成核激活能，所以尤其适合于量子点结构的自组织化形成。

       (3)介质镶嵌纳米晶粒的退火晶化

        除了固体表面上量子点的自组织生长之外，另一类纳米结构则是镶嵌在介质中的纳米晶粒，如高密度和小尺寸的Si和Ge纳米晶粒就是利用这种方法形成的。首先用离子注入、磁控溅射、激光烧蚀或等离子体化学气相沉积等方法，将高浓度的Si或Ge掺入到SiO2中去，然后利用热退火处理形成纳米晶粒。如果精确控制掺入SiO2层中si或Ge的浓度与分布，并严格控制后退火处理的温度与时间，便可以获得趋于有序排布的纳米晶粒。

        纳米电子学和纳米光电子学研究的最终目的是为了采用各种纳米结构，设计和制作纳米量子器件。经过近十余年的努力，人们在这方面的尝试与探索已经取得了一定成效，但距实用化要求还有较大差距。这类纳米器件大体包括两类，一类是基于单电子效应和共振隧穿的单电子晶体管、存储器和共振隧穿量子器件；另一类是基于量子限制效应的量子点光电子器件，如量子点发光二极管、激光器和光探测器等。

       (1)单电子器件与电路

       基于库仑阻塞和单电子隧穿的单电子器件，是纳米量子器件研究的主攻方向，它是克服集成电路物理极限和工艺极限的一条重要途径。经过十几年的努力，人们已在采用不同结构形式和制备技术试制了单电子晶体管，并研究了其单电子输运现象。今后的主要任务是将合理的器件结构形式与优化的工艺技术相结合，制备出可在较高温度，乃至室温下工作的单电子器件，并能实现其单电子集成电路。

       (2)纳米光电子器件

        该类器件主要包括量子点激光器、量子点光探测器和量子点单光子源等。目前，量子点激光器的研究已经有了良好的进展，量子点光探测器的研究也正在深入进行，而量子点单光子源的研究则刚刚起步。如前所述，要想真正使其获得实用化，应在有序量子点的自组织生长、发光效率的提高、器件结构的设计和稳定性的改善等方面作更多研究。

        (3)量子级联激光器

        中红外量子级联结构激光器是一种基于导带中子带间跃迁的新型激光器，由于它在大气探测、工业烟尘分析和科学监测等方面具有重要应用，所以为人们所广泛关注。迄今，人们已采用不同有源区材料和结构形式，制作了各类能工作在3一l0 Ixm波长的量子级联激光器。今后的主要课题是充分利用半导体能带工程，优化组合材料类型、结构形式与工艺方法，以制备出能在室温下连续工作，而且具有高输出功率和低阈值电流密度的中红外，甚至远红外的量子级联激光器。

      (4)光子带隙晶体

       近年来，光子带隙晶体的研究13趋活跃。光子晶体的出现是人们希望能像利用电子能带控制电子那样，利用光子能带控制光子的行为。预计，光子晶体将会在光波导器件和微腔激光器中具有重要应用。例如，将光子能带工程与电子能带工程相结合研制成功的表面光发射光子晶体量子级联激光器，为它在光电子器件的小型化和光电子集成方面开辟了新的用武之地。高质量光子晶体的制备，点缺陷微腔的引入和腔量子电动力学的理论研究，应引起人们足够的重视。

       结 语

　   从基础研究层面讲，半导体科学技术的发展植根于凝聚态物理学，可以说凝聚态物理学为半导体科学技术的发展开垦了肥沃的土壤和广阔的空间，半导体科学技术又为凝聚态物理学的发展注入了新的研究活力和充实了新的研究内容。从技术研究层面讲，半导体科学技术是信息科学技术的基础与先导，可以说信息科学技术的飞速发展直接得益于半导体科学技术。同时，信息科学技术的发展又进一步刺激和促进了半导体科学技术的发展。这是一种具有正反馈效应的发展模式。在21世纪中，凝聚态物理学_+半导体科学技术 信息科学技术，这三者将会以更加协调的形式相互促进地发展下去。或许，新的诺贝尔物理学奖有可能再次在半导体科学技术这片沃土上得以诞生。