半导体物理学的发展及启示

云南农业大学学报　ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹｕｎｎａｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１１，５（３）：１１８－１２２ｈｔｔｐ：／／ｘｂｙｎａｕｅｄｕｃｎＩＳＳＮ１００４－３９０Ｘ；ＣＮ５３－１０４４／ＳＥ－ｍａｉｌ：ｓｋ＠ｙｎａｕｅｄｕｃｎ　收稿日期：２０１０－１２－１６　　　修回日期：２０１１－０１－１１　　　网络出版时间：２０１１－０５－２７　８：３９　作者简介：刘岩（１９７７－），女，河北保定人，在读硕士研究生，主要从事科学技术史研究。　网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗｃｎｋｉｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／５３１０４４Ｓ２０１１０５２７０８３９１０３ｈｔｍｌＤＯＩ：１０３９６９／ｊｉｓｓｎ１００４－３９０Ｘ（ｓ）２０１１０３０２６半导体物理学的发展及启示刘　岩（云南农业大学人文社会科学学院，云南昆明６５０２０１）摘要：半导体物理学是凝聚态物理学的一个重要分支，也是现代微电子器件工艺学的理论核心。研究和探讨半导体物理学的发展规律，对于掌握半导体科学技术今后的发展趋势具有重要意义。文章着重回顾与评述了晶体管的发明过程、半导体超晶格物理的发展以及半导体纳米量子器件的研究进展，展望了新型半导体纳米材料的发展前景，并以半导体物理学的发展历程为依据剖析了其发展规律和特点。关键词：半导体；晶体管；超晶格；石墨烯；纳米量子器件中图分类号：Ｏ４　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００４－３９０Ｘ（２０１１）０３－０１１８－０５ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＥｎｌｉｇｈｔｅｎｍｅｎｔｏｆＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＰｈｙｓｉｃｓＬＩＵＹａｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＨｕｍａｎｉｔｙａｎｄＳｏｃｉａｌＳｃｉｅｎｃｅ，ＹｕｎｎａｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ６５０２０１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｐｈｙｓｉｃｓｉｓｒｅｃｏｇｎｉｚｅｄａｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｊｏｒａｒｅａｓｏｆｃｏｎｄｅｎｓｅｄｍａｔｔｅｒｐｈｙｓｉｃｓａｎｄｔｈｅｃｏｒｅｏｆｍｏｄｅｒｎｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｄｅｖｉｃｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｌａｗｓｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｐｈｙｓｉｃｓｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｆｏｒｆｉｎｄｉｎｇｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｆｕｔｕｒｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｈａｖｅｒｅｖｉｅｗｅｄｔｈｅｉｎｖｅｎｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｐｈｙｓｉｃｓ，ｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｎａｎｏｑｕａｎｔｕｍｄｅｖｉｃｅｓ，ａｎｄｌｏｏｋｅｄｆｏｒｗａｒｄｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｎｅｗｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｐｈｙｓｉｃｓ，ｗｅｈａｖｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｌａｗｓａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｐｈｙｓｉｃｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ；ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ；ｇｒａｐｈｅｎｅ；ｎａｎｏｑｕａｎｔｕｍｄｅｖｉｃｅ　　半导体物理学作为凝聚态物理学的一部分，已经发展了半个多世纪，并逐渐成为一个充满活力、发展最为迅速的前沿学科。以此理论为基础生产出的半导体器件在微电子、计算机、通讯以及相关领域发挥着不可替代的作用。半导体科学技术对我们的社会具有巨大影响，我们可以在微处理器芯片以及晶体管的核心部位发现半导体的身影，任何使用计算机或无线电波的产品也都依赖于半导体。半导体物理的发展不仅有力地推动了现代科学技术的发展进程，而且从根本上改变了当代人类社会生活的面貌。一、半导体物理的早期发展２０世纪３０年代初，人们开始将量子理论应用到晶体中去解释其中的电子态。１９２８年布洛赫（Ｆ．Ｂｌｏｃｈ）提出了著名的布洛赫定理，发展并完善了固体的能带理论。１９３１年威尔逊（Ｈ．Ａ．Ｗｉｌｓｏｎ）应用能带理论给出了区分导体、半导体和绝缘体的微观判据，从而奠定了半导体物理的理论基础。２０世纪４０年代，贝尔实验室积极开展半导体研究，组织了一批极有才能的科学家在科学前沿领域工作。１９４７年１２月２３日，巴丁（Ｊ．Ｂａｒｄｅｅｎ）和布拉顿（Ｗ．Ｈ．Ｂｒａｔｔａｉｎ）宣布了点接触晶体管试制成功。１９４８年６月２６日，肖克利（Ｗ．Ｂ．Ｓｈｏｃｋｌｅｙ）研制成功了结接触晶体管。由于这三位科学家所做出的杰出贡献，使他们共同荣获了１９５６年的诺贝尔物理学奖［１］。晶体管的发明是二十世纪最伟大的发明之一，它深刻地改变了人类技术发展的进程和面貌，充分显示出科学研究的重要作用。晶体管的发明是社会工业化发展的必然结果。早在２０世纪３０年代，生产电子设备的企业就希望能有一种电子器件具有电子管的功能但却没有电子管中的灯丝，因为加热灯丝不仅消耗能量而且需要加热时间，这就延长了工作时的启动过程；而且灯丝具有一定的寿命，连续使用一年半载就要更换。这些缺点给电子设备的设计者和使用者带来很多不便。因此，贝尔实验室的研究人员根据半导体能起到整流和检波作用的特性，考虑并研究了用半导体取代电子管的可能性，提出了研制半导体三极管的设想。历经数年的研究和探索，直到１９４７年１２月，研究小组经过反复实验最终研制成功了一种能够替代电子管的固体放大器件，由于该器件主要由两根金属丝与半导体进行点接触而构成，因而被称为点接触晶体管。随后，贝尔实验室的场效应晶体管和结型晶体管的研究工作也取得成功。至此，一个历史性的新纪元开始了。２０世纪５０年代，晶体管所具有的重要的应用价值使得半导体物理的研究蓬勃展开。众多学者开始对半导体的能带结构、半导体载流子的平衡及输运、半导体的光电特性等进行理论和实验的研究，半导体物理逐渐发展成为一个完整的理论体系，随后ＰＮ结、异质结、金属———半导体接触理论的研究也已发展成熟，现今半导体异质结构已经成为制造高频晶体管和激光器的关键结构。２０世纪６０年代，半导体物理的发展已达到成熟与推广时期，以此为基础迎来了微处理器和集成电路的发明，微电子工业得到突飞猛进的发展，为信息化时代的到来铺平了道路。１９５８年，安德森（Ｐ．Ｗ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ）提出了局域态理论，开创了无序系统研究的新局面，为非晶态半导体物理的研究奠定了基础。１９６７年，Ｇｒｏｖｅ和Ｄｅａｌ等人对半导体表面物理的研究取得重要进展，从而使Ｓｉ－ＭＯＳ集成电路的稳定性得以显著提高。１９６９年，江崎（Ｌ．Ｅｓａｋｉ）和朱兆祥（Ｒ．Ｔｓｕ）［２］提出可以通过人工调制能带的方法制备半导体超晶格，从而使得人们可以对此微结构独特的物理特性和二维电子气进行研究。也正是在半导体超晶格的研究中，１９８０年冯·克利青（Ｋ．Ｖ．Ｋｌｉｔｚｉｎｇ）［３］发现了整数量子霍尔效应，１９８２年崔琦（美籍华裔物理学家）等发现分数量子霍尔效应，这些半导体低维物理现象的发现揭开了现代半导体物理发展的序幕。二、半导体超晶格物理的发展半导体超晶格物理的建立是半导体能带理论发展的必然。能带理论建立起来后，人们对各种规则晶体材料的性能有了相当的认识，进而建立了以能带理论为基础的半导体物理体系，并以此来解释出现的现象。接下来人们必然会想到人为改变和调制能带去制备新的材料，以期获得最新的效应及新的用途。１９６９年和１９７６年诞生的分子束外延（ＭＢＥ）和金属有机物化学汽相沉积（ＭＯＣＶＤ）薄膜生长技术为整个半导体科学带来一场革命。随着这些微加工技术的进步和发展，实现了晶体的低速率生长，加之超净工作条件的建立，使得人们能够制造出高质量的异质结构，它具有所设计的势能轮廓和杂质分布，其尺度可以控制到单原子层，为新型半导体器件的设计与应用奠定了技术基础。１９６９年，在美国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，即利用半导体微加工技术，人工制作的一种周期性结构，其周期仅为天然材料晶格常数的若干倍。这里“超”的含义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）技术生长出了第一个ＧａＡｓ／ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ超晶格材料。由此便揭开了超晶格、量子阱、量子线和量子点等低维半导体材料研究的序幕，人们可以根据自己的意愿和需要，调制半导体晶格周期结构，制造出人工晶格，实现特定的物理性质和技术要求。利用ＭＢＥ和ＭＯＣＶＤ等超薄层生长技术将两种禁带宽度不同、但晶格常数匹配较好的半导体材料（包括ＩＩＩ－Ｖ和ＩＩ－ＶＩ族化合物以及Ｇｅ－Ｓｉ９１１第３期　　　　　　　　　　　　刘　岩：半导体物理学的发展及启示半导体系统）按不同方式组合交替生长在一起，就可以构成异质结、量子阱或超晶格等人工剪裁结构。如果进一步对载流子的运动附加维度限制，即可构成准一维结构“量子线”，甚至构成完全受限的准零维结构“量子点”。超晶格、量子阱、量子线、量子点等半导体低维纳米结构具有能带人工可剪裁性、量子约束效应、共振隧穿效应、超晶格微带效应、二维电子气效应、电子波量子相干属性、负磁阻效应和量子霍尔效应等重要性质。这些微结构因其特殊的物理性质、广阔的应用前景而成为引人瞩目的研究对象，相关的研究丰富了人类对微观世界的认识，有力地推动了凝聚态物理的整体发展。三、半导体低维材料和纳米量子器件的研究进展　　新材料的出现和新效应的产生为新器件的设计开辟了广阔的道路。超高速逻辑器件、高性能光电子器件及其集成电路系统代表了当今器件发展的趋势，小型化、功能化和量子化显示了器件发展的新特点。如今，采用各种纳米结构，设计和制作纳米量子器件已经成为半导体科学技术中最为活跃的前沿领域。这类纳米器件包括基于单电子效应和共振隧穿效应的单电子晶体管、存储器和共振隧穿量子器件，以及基于量子限制效应的量子点光电子器件等［５－６］。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光探测器、量子点单光子源、量子点激光器和量子级联激光器等。中红外量子级联结构激光器是一种基于量子阱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而被人们广泛关注。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３～１０μｍ波长的量子级联激光器。今后的发展趋势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。３．石墨烯晶体管２００４年，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆（Ａ．Ｋ．Ｇｅｉｍ）与康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Ｋ．Ｓ．Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ）［７］利用微机械剥离法首次成功地制备出了一种新型碳基纳米材料———石墨烯（Ｇｒａｐｈｅｎｅ），并于２０１０年１０月５日获得诺贝尔物理学奖。石墨烯是一种由单层碳原子构成的薄膜。这是目前世界上最薄的材料，仅有一个原子厚（０３３５纳米），是一种理想的二维量子体系。单层石墨烯是零带隙的半导体，其最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的三百分之一，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯具有超高的导电性和导热性。此外，石墨烯高度稳定，即使被制作成１纳米宽的元件，导电性也很好。早在集成电路发明后不久的２０世纪６