半導(dǎo)體科學(xué)前沿簡介

1、半導(dǎo)體科學(xué)前沿簡介一、光電技術(shù)的進(jìn)展歷史及其困難問題記者：王啟明院士，您好。超級(jí)感激您同意咱們的采訪。咱們明白，近幾年，光電子技 術(shù)，光通信等名詞常常出此刻報(bào)紙和電視等各類媒體上，第一，咱 們想請你為咱們簡單介紹一下與光電子有關(guān)的概念，和光電子技術(shù)在上個(gè)世紀(jì)的進(jìn)展情形。王啟明院士:在介紹光電子技術(shù)之前，我先簡單的說一下微電子技術(shù) 的概況。微電子的進(jìn)展最先起源于1954年巴丁，肖克萊等人在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了固態(tài)晶體管。通過了近半個(gè)世紀(jì)的進(jìn)展,微電子技術(shù)已成為信息技術(shù)的基石。在微電子技術(shù)中，信息的 存儲(chǔ)，傳輸，處置等都是靠電子，嚴(yán)格一點(diǎn)說是電子流來完成 的。因此能夠說，微電子技術(shù)的特點(diǎn)是以電子作

2、為信息的載體。 微電子技術(shù)進(jìn)展到此刻已是超級(jí)成熟了，咱們用的電話，運(yùn)算 機(jī)和其他的一些家用電器中都用到了微電子技術(shù)，它在咱們的 日常生活中幾乎無處不在。目前，在一個(gè)很小的芯片上能夠集 成幾億個(gè)晶體管。而以后的運(yùn)算機(jī)的進(jìn)展一個(gè)芯片就能夠夠完 成目前運(yùn)算機(jī)主機(jī)的功能。那么既然微電子技術(shù)這么好了，什 么緣故還要進(jìn)展光電子技術(shù)呢？我來詳細(xì)的討論一下那個(gè)問 題。咱們以運(yùn)算機(jī)為例，運(yùn)算性能夠處置信息，靠的是其中的 邏輯門，而組成邏輯門的最大體的元件是開關(guān)。此刻芯片中的開關(guān)速度能夠做到皮秒，也就 是10 -匕秒的量級(jí)。而芯片中的電子靠誰來傳輸呢？既然是電子就應(yīng)該由金屬來傳輸，目前，經(jīng)常使用的是鋁或銅的合金。

3、如此 就會(huì)有電阻電容，就會(huì)造成延遲效應(yīng)，通常稱為RC延遲。這 種延遲的極限大約是納秒量級(jí)。由于存在那個(gè)限制，即便開關(guān) 速度再快，也要受到那個(gè)“瓶頸”的限制。使運(yùn)算機(jī)的單機(jī)響 應(yīng)速度只能到納秒的量級(jí)，即10秒。此刻運(yùn)算機(jī)的速度比 那個(gè)限制要快，使因?yàn)榇笮瓦\(yùn)算機(jī)中普遍利用了并行處置技 術(shù)，即幾個(gè)或幾十個(gè)CPU同時(shí)工作?？墒窃S多情形下仍是需要 直接處置。比如，差一秒鐘對咱們打，看電視幾乎沒什么阻礙, 可是在現(xiàn)代化的戰(zhàn)爭中，差一秒乃至一毫秒都可能會(huì)極大地阻 礙導(dǎo)彈的命中率。因此若是說二十世紀(jì)屬于納秒的時(shí)期，那么二十一世紀(jì)就應(yīng)該是皮秒的世紀(jì)。許多的計(jì)算和 信息的處置都要精準(zhǔn)到皮秒的量級(jí)。這是此刻的微電子

4、技術(shù)面臨的重大的挑戰(zhàn)。目前最現(xiàn)實(shí)的方法確實(shí)是采納光子來作為信息的載體。咱們明白，光的速度是每秒鐘30萬千米。在10 微米的尺寸上傳遞只需要不到一皮秒的時(shí)刻。而且，由于光子不帶電，因此信號(hào)之間可不能 相互干擾。如此，研究用光子作為信息存儲(chǔ)，傳輸，處置的載體的學(xué)科就叫光子學(xué)。由于光 子技術(shù)如此重要，此刻世界各國普遍以為光 子技術(shù)是二十一世紀(jì)高科技競爭的一個(gè)制咼點(diǎn)。那么什么是光電子學(xué)呢？在微電 子技術(shù)蓬勃進(jìn)展的同時(shí),人們發(fā)覺能夠 利用光電各自的優(yōu)勢來為咱們效勞。比 如激光器，光電探測器，太陽電池如等 方面都需要光電結(jié)合。這確實(shí)是初期的 光電子學(xué)。隨著光電子學(xué)的進(jìn)展，人們 研究完全利用光來處置信息，于

5、是誕生 了光子學(xué)。因此能夠說，先有了光電子 學(xué)，又有了光子學(xué)。而最終的進(jìn)展會(huì)是 光電的再次統(tǒng)一，即更高一個(gè)層次上的D窪由于光子具有電子所不具有 的許多特性因此光子學(xué)有它獨(dú)特 的優(yōu)勢。尤其在信息領(lǐng)域。比如通 信，咱們此刻大部份骨干網(wǎng)用的都 是光纖，信息的載體都是光。由于 密集波分復(fù)用技術(shù)的進(jìn)展,一根頭 發(fā)絲粗細(xì)的光纖就能夠夠傳輸一 億門線路。這是電纜無法比擬的。再如信息存儲(chǔ)技術(shù)，光 盤由VCD進(jìn)展到DVD,容量增大了 好幾倍，以后若是研制出能夠商用 的藍(lán)光激光器，采納藍(lán)光波段的光 來作為信息的載體,就又能夠使一 樣大小的光盤的容量增大近十倍。 而且光具有相干性,能夠?qū)崿F(xiàn)全息 存儲(chǔ),在不到一個(gè)平方

6、厘米的芯片 上,咱們能夠把北京圖書館的所有 的書都存進(jìn)去。在運(yùn)算機(jī)方面，以 后的進(jìn)展趨勢是光要進(jìn)入運(yùn)算機(jī)按結(jié)構(gòu)分類KSSIMSILSIVLSIULS由于光子具有電子所不具有 的許多特性因此光子學(xué)有它獨(dú)特 的優(yōu)勢。尤其在信息領(lǐng)域。比如通 信，咱們此刻大部份骨干網(wǎng)用的都 是光纖，信息的載體都是光。由于 密集波分復(fù)用技術(shù)的進(jìn)展,一根頭 發(fā)絲粗細(xì)的光纖就能夠夠傳輸一 億門線路。這是電纜無法比擬的。再如信息存儲(chǔ)技術(shù)，光 盤由VCD進(jìn)展到DVD,容量增大了 好幾倍，以后若是研制出能夠商用 的藍(lán)光激光器，采納藍(lán)光波段的光 來作為信息的載體,就又能夠使一 樣大小的光盤的容量增大近十倍。 而且光具有相干性,能夠

7、實(shí)現(xiàn)全息 存儲(chǔ),在不到一個(gè)平方厘米的芯片 上,咱們能夠把北京圖書館的所有 的書都存進(jìn)去。在運(yùn)算機(jī)方面，以 后的進(jìn)展趨勢是光要進(jìn)入運(yùn)算機(jī)按結(jié)構(gòu)分類KSSIMSILSIVLSIULS.GS1按功能分姿3PMQSMOS 型* NMOSCMOS BiMOS BiCMOSBiMOS 曹厚廨誨書集血電路 港膜渥侖集成中賂團(tuán)】，篁成電路的務(wù)類中，發(fā)揮光子的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)開關(guān)的互聯(lián)，利用光來排除電子傳輸帶來的瓶頸效應(yīng)。記者：光子技術(shù)有這么多的益處，但它在咱們的實(shí)際生活中像微電子技術(shù)那樣無處不在。您 能再給咱們談?wù)勊?dāng)前碰到的困難和問題嗎？王啟明院士：好的。微電子技術(shù)的一個(gè)專門大的優(yōu)勢在于它能夠集成化。光子技術(shù)的進(jìn)

8、展的最終也要集成化，不然在很多方面就難以發(fā)揮它的優(yōu)勢。因此必需進(jìn)展固體光子學(xué)，而 且必需是集成化固體光子學(xué)。一方面，光子的特性要比電子豐碩得多，那么能夠形成的器件 也比電子學(xué)器件多的多，尺寸不同也專門大，這就使集成時(shí)要更復(fù)雜，更困難。另一方面, 光子技術(shù)涉及到的物理效應(yīng)要比電子技術(shù)更多，更復(fù)雜，對材料的晶體結(jié)構(gòu)有特殊的要求。 比如，應(yīng)用最普遍的半導(dǎo)體材料一一硅的晶體結(jié)構(gòu)是完美的立方對稱結(jié)構(gòu)，而在光電子技術(shù) 中要進(jìn)行信號(hào)調(diào)制必需是非對稱的結(jié)構(gòu)，沒有非對稱性就沒有各向異性，也就表現(xiàn)不出它的 非線性效應(yīng)。固然，人們正在盡力克服這些天然的限制。光電子的進(jìn)展前景十分興奮人心的。 在光子學(xué)蓬勃進(jìn)展的同時(shí)，

9、微電子學(xué)也在向著更成熟的方向進(jìn)展。它們不是彼此排斥，而是 像一對孿生兄弟，最終會(huì)走到一路，這確實(shí)是以后的量子器件。二、個(gè)人的研究領(lǐng)域與研究功效記者：王啟明院士，您作為我國半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域的 聞名專家一直奮斗在科研的第一線，請你談一談您自己的研究領(lǐng)域和取得的功效。能源或電源）圖1激光器的結(jié)構(gòu)硅鋇鋁鈣礦石圖1激光器的結(jié)構(gòu)硅鋇鋁鈣礦石叢坨辛右期勺：巴丁 IJ也“血川卅兌乖: W. S:丘止I朝川叢坨辛右期勺：巴丁 IJ也“血川卅兌乖: W. S:丘止I朝川布程際W H. BndW沁 團(tuán)人3科學(xué)眾在宴驗(yàn)宣中的咅彩TfTf發(fā)明晶體管的三名科學(xué)家下工作，而且只能脈沖發(fā)光。最初咱們做的光電子的工作都是基于I

10、II-V族材料，如砷 化鎵，磷化銦等材料。我94年從所長的位置上退下來以后，就一直在考慮以后的科研方向,我想開辟一個(gè)新的領(lǐng)域，確實(shí)是 在中進(jìn)展光電子學(xué)。人們說，是 微電子的食糧。從生產(chǎn)資料的角 度來講，人類從石器時(shí)期，青銅 時(shí)期，鐵器時(shí)期，一直到二十世 紀(jì)是材料的時(shí)期?？墒俏疫m才提 到了微電子技術(shù)有它的局限，需 要進(jìn)展光電子學(xué)來克服它的局 限。若是咱們能夠讓發(fā)光，就很 容易實(shí)現(xiàn)光電子和微電子的集 成，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，那它的生 命力將是無窮的，將開辟一個(gè)新 的天地?？墒窃蹅兌济靼资堑湫?的間接帶隙半導(dǎo)體，它的發(fā)光效 率比砷化鎵要低5個(gè)量級(jí)。另外 是立方對稱的，加了電場折射率 不轉(zhuǎn)變，微處置器的芯

11、片結(jié)構(gòu)如此就無法做信號(hào)調(diào)制。固然也能夠用熱光效應(yīng)，但這種開關(guān)的速度只能到毫秒的量級(jí)， 無法適應(yīng)高速開關(guān)的需要。我那時(shí)就有點(diǎn)“想入非非”，能不能直接在中做件使它能夠與微 電子集成，這確實(shí)有專門大的風(fēng)險(xiǎn)，可是科學(xué)研究上的創(chuàng)新很多都是從想入非非進(jìn)展而來的。 在這種方式的鼓勵(lì)下，我率領(lǐng)了幾位同行開始了激光電子學(xué)那個(gè)新領(lǐng)域的研究。92年多孔發(fā)光現(xiàn)象給了人們一點(diǎn)啟發(fā)，中也能發(fā)光。盡管多孔發(fā)光的機(jī)制還并非十分清楚，但能夠達(dá) 到的共識(shí)是發(fā)光的全然機(jī)制與量子尺寸效應(yīng)有關(guān)。于是，咱們開始研究中的量子阱，利用能 帶工程的方式，在應(yīng)變層技術(shù)的支持下，把和鍺做在一路能夠在中形成量子阱。量子阱對三 維的量子尺寸效應(yīng)并非十分明顯，于是咱們繼續(xù)研制量子線（一維），量子點(diǎn)（零維）。通 過咱們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)覺量子點(diǎn)的發(fā)光效率比量子點(diǎn)要高得多。另外咱們也試圖尋覓更新的途 徑。比如，如何通過能帶工程改變的直接帶隙結(jié)構(gòu)，