刘 岩

(云南农业大学 人文社会科学学院，云南 昆明 650201)

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. Bardeen)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-Si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3～10 μm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60年代初，英特尔(Intel)创始人之一——摩尔(G. Moore)就预言了一条经验规律：在同样芯片价格水平上，每过18～24个月，集成电路单位面积上可容纳的晶体管数目便会增加一倍。这就是半导体业著名的摩尔定律，直到现在仍然适用。另一个标志芯片集成度的量是最小结构的线条宽度(特征尺度)，它是由刻蚀技术决定的。单位面积上器件的密度增大，实际上就是器件尺寸减小了。2010年硅集成电路的特征尺度已达到45纳米，预计2016年特征尺度可达到22纳米，到2022年将达到10纳米。目前，集成电路晶体管普遍采用硅材料制造，由于量子效应的限制，当硅材料尺寸小于10纳米时，用它制造出的晶体管稳定性将变差，因此硅材料的加工极限是10纳米线宽。人们普遍认为，10年之后以硅为核心的传统微电子器件将面临无法避免的困境，摩尔定律将很难继续有效。

值得庆幸的是由安德烈·海姆与康斯坦丁·诺沃肖洛夫率领的研究小组已研制出了10纳米级可实际运行的石墨烯晶体管，他们采用标准的晶体管工艺，首先在石墨烯上用电子束刻出沟道，然后在所余下的被称为“电荷岛”的中心部分封入电子，形成量子点。石墨烯晶体管仅有1个原子厚、10个原子宽，其栅极部分的结构为10纳米的量子点夹着几纳米的绝缘介质。由于施加电压后会改变该量子点的导电性，所以量子点就像标准的场效应晶体管一样，能够记忆晶体管的逻辑状态。今后的发展趋势是研制长宽均为1个分子尺度的更小的石墨烯晶体管，其传输速度将远远超过目前的硅晶体管，有希望应用于全新超级计算机的研发。因此，石墨烯被普遍认为最终会替代硅，从而引发一场新的电子工业革命。

四、半导体物理发展的规律、特点及启示

以上, 对半导体物理的发展历程进行了简单回顾。从中得到了以下几点有益的启示。

1．半导体物理的发展始终与科学实验以及工业技术应用紧密联系

晶体管的发明与发展过程表明，二十世纪30年代以前，人们己经制成整流器、光电探测器、检波器等半导体器件，并在实验中发现了金属——半导体接触材料上的一些导电特性，但却无法理解其中的物理机理。直到能带理论建立以后，以此为基础才建立起金属——半导体接触理论。后来在实验过程中人们发现这个理论和实验测量有出入，于是提出了半导体表面态理论来解释这一现象。正是由于在实验中考虑到半导体表面态的影响，贝尔实验室才最终研制成功了晶体管。晶体管的发明引起人们对半导体的广泛兴趣，这又大大促进了半导体物理的发展。由此可见，半导体物理的发展和实验是分不开的，往往由于新的实验事实促进人们建立相应的理论，而理论的发展又反过来指导实验的研究，促进技术的进步与完善。

19世纪30年代英国物理学家法拉第发现了电磁感应定律，为电力的广泛运用奠定了理论基础，架起了电能与机械能相互转化的桥梁，从而为开始于19世纪70年代的第二次工业革命(电气化革命) 铺平了道路。与此相似，20世纪中期发明的晶体管的理论基础可以追溯到1931年威尔逊的能带理论。晶体管的研制成功以及大规模和超大规模集成电路的出现，引起了第三次工业革命，这是涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术和空间技术等诸多领域的一场信息控制技术革命，它把人类社会带进了一个新的时期——数字化信息时代。晶体管的研制过程再次印证了以下观点：科学发现导致技术发明, 技术的进步终将引起新工业的产生。

2．半导体物理研究与材料、器件和工艺相结合，有利于促进半导体科学技术的发展

新的工艺能够创造新的材料, 新的材料孕育着新的物理效应, 基于新的效应能够研制新型器件，而新型器件性能的提高又必将促进工艺技术的进步。例如石墨烯的发明，早在二十世纪50年代物理学家就已在理论上预言了单层石墨烯的许多奇特性质，但直到最近几年，随着半导体工艺水平的不断进步，人们才能够成功制备出石墨烯。而石墨烯的电子性质中蕴含着丰富的物理效应，例如：相对论性电子效应、反常量子霍尔效应，弱局域化效应等[8]。与石墨烯相关的新物理正在不断地被揭示出来，对它们的研究有力地推动了凝聚态物理理论的发展。同时石墨烯晶体管等相关器件的研制成功必将对整个电子信息产业产生深远的影响。可以想见，今后这一发展模式仍将贯穿于半导体科学技术的发展过程中。

3．半导体物理发展的一个显著特点是和社会生产密切相关

20世纪30年代通讯工业的发展使替代真空电子管成为必然的需要，在此社会背景下，30年代初贝尔实验室开始探寻新的固体器件来代替电子管，于是展开了半导体物理的研究和半导体材料及其工艺的开发，并相继成功研制了多种半导体器件：热敏电阻、氧化铜变阻器、碳化硅变阻器、点接触锗检波器、点接触晶体管、面接触晶体管、场效应晶体管、发光二极管、光生伏特电池等。60年代后，随着非晶态半导体物理的发展，人们制成了非晶态半导体开关器件及计算机存储器件。在对半导体超晶格的研究过程中，制成了量子阱激光器、光双稳器件、高电子迁移率晶体管、共振隧穿器件等纳米量子器件。21世纪以低维半导体技术为中心给人类工业带来一个全新的纳米时代。半导体物理的发展为新的半导体器件的研制提供了可能，这些器件在人们的生产、生活领域发挥着巨大的、不可替代的作用，而半导体器件的生产和销售所获得的巨大利润又为半导体物理的基础研究提供了物质保障条件。同时随着微电子、计算机等领域的发展，进一步提出对新的半导体器件的需求，又将大大促进半导体物理的发展。

总之，晶体管等半导体器件的发明源于社会需求导向的牵引，是科学推力和需求拉力相结合的硕果。虽然新技术的产生直接来源于科学研究的探索, 但科学研究项目的决策、组织都体现着潜在的需求。通过有效的组织能够把科学推力和需求拉力结合在一起, 即把科学研究可能带来的新进展和技术本身的发展需求联系在一起。这需要学术界和产业界广泛而深入的合作, 使科学研究的应用潜力能够与社会经济发展的重要领域相结合，这是科学技术得以快速发展的原动力。

[参考文献]

[1]阎康年，贝尔实验室[M]. 保定: 河北大学出版社, 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] 王占国， 陈涌海， 叶小玲，等. 纳米半导体技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006: 308-383.

[6] 谢树森，雷仕湛.光子技术[M]. 北京: 科学出版社， 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.