半導(dǎo)體科學(xué)前沿簡介

半導(dǎo)體科學(xué)前沿簡介一、光電技術(shù)的發(fā)展歷史及其困難問題王啟明院士記者：王啟明院士，您好。非常感謝您接受我們的采訪。我們知道，近幾年，光電子技術(shù)，光通信等名詞經(jīng)常出現(xiàn)在報(bào)紙和電視等各種媒體上，首先，我們想請王啟明院士你為我們簡單介紹一下與光電子有關(guān)的概念，以及光電子技術(shù)在上個(gè)世紀(jì)的發(fā)展情況。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。微電子的發(fā)展最早起源于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。經(jīng)過了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，也就微電子技術(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，傳輸，處理等都是靠電子，嚴(yán)格一點(diǎn)說是電子流來完成的。所以可以說，微電子技術(shù)的特征是以電子作為信息的載體。微電子技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在已是非常成熟了，我們用的手機(jī)，計(jì)算機(jī)和其他的一些家用電器中都用到了微電子技術(shù)，它在我們的日常生活中幾乎無處不在。目前，在一個(gè)很小的芯片上可以集成幾億個(gè)晶體管。而將來的計(jì)算機(jī)的發(fā)展一個(gè)芯片就可以完成目前計(jì)算機(jī)主機(jī)的功能。那么既然微電子技術(shù)這么好了，為什么還要發(fā)展光電子技術(shù)呢？我來詳細(xì)的討論一下這個(gè)問題。我們以計(jì)算機(jī)為例，計(jì)算機(jī)能夠處理信息，靠的是其中的邏輯門，而組成邏輯門的最基本的元件是開關(guān)?，F(xiàn)在芯片中的開關(guān)速度可以做到皮巴丁是10*秒的量級。而芯片中的電子靠誰來傳輸呢？既然是電子就也就肖克萊應(yīng)該由金屬來傳輸，目前，常用的是鋁或銅的合金。這樣就會有電阻電容，就會造成延遲效應(yīng)，通常稱為RC延遲。這種延遲的極限大約是納秒量級。由于存在這個(gè)限制，即使開關(guān)速度再快，也要受到這個(gè)“瓶頸”的限制。使計(jì)算機(jī)的單機(jī)響應(yīng)速度只能到納秒的量級，即10t秒?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)的速度比這個(gè)限制要快，使因?yàn)榇笮陀?jì)算機(jī)中普遍使用了并行處理技術(shù)，即幾個(gè)或幾十個(gè)CPU同時(shí)工作。但是許多情況下還是需要直接處理。比如，差一秒鐘對我們打電話，看電視幾乎沒什么影響，但是在現(xiàn)代化的戰(zhàn)爭中，差一秒甚至一毫秒都可能會極大地影響導(dǎo)彈的命中率。肖克萊所以如果說二十世紀(jì)屬于納秒的時(shí)代，那么二十一世紀(jì)就應(yīng)該是皮秒的世紀(jì)。許多的計(jì)算和信息的處理都要精確到皮秒的量級。這是現(xiàn)在的微電子技術(shù)面臨的重大的挑戰(zhàn)。目前最現(xiàn)實(shí)

的辦法就是采用光子來作為信息的載體。我們知道，光的速度是每秒鐘30萬公里。在10微米的尺寸上傳遞只需要不到一皮秒的時(shí)間。而且，由于光子不帶電，所以信號之間不會互相干擾。這樣，研究用光子作為信息存儲，傳輸，處理的載體的學(xué)科就叫光子學(xué)。由于光子技術(shù)如此重要，現(xiàn)在世界各國普遍認(rèn)為光子技術(shù)是二十一世紀(jì)高科技競爭的一個(gè)制高點(diǎn)。那么什么是光電子學(xué)呢？在微電子技術(shù)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)可以利用光電各自的優(yōu)勢來為我們服務(wù)。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。這就是早期的光電子學(xué)。隨著光電子學(xué)的發(fā)展，人們研究完全利用光來處理信息，于是誕生了光子學(xué)。所以可以說，先有了光電子學(xué)，又有了光子學(xué)。而最終的發(fā)展會是光電的再次統(tǒng)一，即更高一個(gè)層次上的光電子學(xué)?，F(xiàn)在正在發(fā)展單電子技術(shù)和單光子技術(shù)，那時(shí)信息的載體不再是束流，而是單個(gè)的粒子。光子和電子都是利用量子力學(xué)的概念，區(qū)別只是波長不同而已。我想我們在二十一世紀(jì)肯定會走到這一步。那時(shí)既不能叫光子信息技術(shù)，也不能叫電子信息技術(shù)，應(yīng)該叫量子信息技術(shù)。由于光子具有電子所不具備的許多特性所以光子學(xué)有它獨(dú)特的優(yōu)勢。尤其在信息領(lǐng)域。比如通信，我們現(xiàn)在大部分主干網(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)的發(fā)展，一根頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖就可以傳輸一億門電話線路。這是電纜無法比擬的。再如信息存儲技術(shù)，光盤由VCD發(fā)展到DVD，容量增大了好幾倍，未來如果研制出能夠商用的藍(lán)光激光器，采用藍(lán)光波段的光來作為信息的載體，就又可以使同樣大小的光盤的容量增大近十倍。而且光具有相干性，可以實(shí)現(xiàn)全息存儲，在不到一個(gè)平方厘米的芯片上，我們可以把北京圖書館的所有的書都存進(jìn)去。在計(jì)算機(jī)方面，未來的發(fā)展趨勢是光要進(jìn)入計(jì)算機(jī)中，發(fā)揮光子的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)開關(guān)的互按結(jié)構(gòu)分類＜單片集成電路＜，PMOSMOS型vNMOSCMOSBiMOSBiCMOSBIMOS型口人舶由上吐』由于光子具有電子所不具備的許多特性所以光子學(xué)有它獨(dú)特的優(yōu)勢。尤其在信息領(lǐng)域。比如通信，我們現(xiàn)在大部分主干網(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)的發(fā)展，一根頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖就可以傳輸一億門電話線路。這是電纜無法比擬的。再如信息存儲技術(shù)，光盤由VCD發(fā)展到DVD，容量增大了好幾倍，未來如果研制出能夠商用的藍(lán)光激光器，采用藍(lán)光波段的光來作為信息的載體，就又可以使同樣大小的光盤的容量增大近十倍。而且光具有相干性，可以實(shí)現(xiàn)全息存儲，在不到一個(gè)平方厘米的芯片上，我們可以把北京圖書館的所有的書都存進(jìn)去。在計(jì)算機(jī)方面，未來的發(fā)展趨勢是光要進(jìn)入計(jì)算機(jī)中，發(fā)揮光子的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)開關(guān)的互按結(jié)構(gòu)分類＜單片集成電路＜，PMOSMOS型vNMOSCMOSBiMOSBiCMOSBIMOS型口人舶由上吐』厚膜混合集成電路混合集成電路*姑、口入獨(dú)faI薄膜混合集成中路fSSIMSI接規(guī)模分類＜LSIVLSIULS1GS】數(shù)字電路組合邏輯電路

時(shí)序邏輯電路按功能分類《模擬電路線性電路非線性電路'數(shù)學(xué)模擬混合電路按應(yīng)用領(lǐng)域分類圖1.5集成電路的分類記者：光子技術(shù)有這么多的好處，但它在我們的實(shí)際生活中像微電子技術(shù)那樣無處不在。您能再給我們談?wù)勊?dāng)前遇到的困難和問題嗎？王啟明院士：好的。微電子技術(shù)的一個(gè)很大的優(yōu)勢在于它能夠集成化。光子技術(shù)的發(fā)展的最終也要集成化，否則在很多方面就難以發(fā)揮它的優(yōu)勢。因此必須發(fā)展固體光子學(xué)，而且必須是集成化固體光子學(xué)。一方面，光子的特性要比電子豐富得多，那么能夠形成的器件也比電子學(xué)器件多的多，尺寸差別也很大，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)用最廣泛的半導(dǎo)體材料——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)行信號調(diào)制必須是非對稱的結(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)。當(dāng)然，人們正在努力克服這些天然的限制。光電子的發(fā)展前景十分激動人心的。在光子學(xué)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，微電子學(xué)也在向著更成熟的方向發(fā)展。它們不是相互排斥，而是像一對攣生兄弟，最終會走到一起，這就是未來的量子器件。二、個(gè)人的研究領(lǐng)域與研究成果記者：王啟明院士，您作為我國半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域的著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)域和取得的成果。圖1激光器的結(jié)構(gòu)硅鋇鋁鈣礦石

王啟明院士：我從事半導(dǎo)體光電子學(xué)方面的工作始于“文革”之前。我1956年復(fù)旦大學(xué)畢業(yè)以后就一直在半導(dǎo)體所工作。大概從62年開始，我們開始做激光器的研制工作。當(dāng)時(shí)我們與國際的差距只有一年。當(dāng)時(shí)的激光器不僅要求在極低的溫度(通常是液氫或液氮)從左至右別為：巴丁(J.從左至右別為：巴丁(J.Bardeen)^肖克菜(W.Schoklcy布拉頓(W,H.Brattain)?13發(fā)明晶體管的三位科學(xué)家在實(shí)駛重中的合影發(fā)明晶體管的三名科學(xué)家下工作，而且只能脈沖發(fā)光。最初我們做的光電子的工作都是基于m-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，就一直在考慮將來的科研方向，我想開辟一個(gè)新的領(lǐng)域，就是在硅中發(fā)展光電子學(xué)。人們說，硅是微電子的食糧。從生產(chǎn)資料的角度來說，人類從石器時(shí)代，青銅時(shí)代，鐵器時(shí)代，一直到二十世紀(jì)是硅材料的時(shí)代。但是我剛才提到了微電子技術(shù)有它的局限，需要發(fā)展光電子學(xué)來克服它的局限。如果我們能夠讓硅發(fā)光，就很容易實(shí)現(xiàn)光電子和微電子的集成，發(fā)揮各自的長處，那它的生命力將是無窮的，將開辟一個(gè)新的天地。可是我們都知道硅是典型的間接帶隙半導(dǎo)體，它的發(fā)光效率比砷化鎵要低5個(gè)量級。另外硅是立方對稱的，加了電場折射率不變化，微處理器的芯片結(jié)構(gòu)這樣就無法做信號調(diào)制。當(dāng)然也可以用熱光效應(yīng)，但這種開關(guān)的速度只能到毫秒的量級，無法適應(yīng)高速開關(guān)的需要。我當(dāng)時(shí)就有點(diǎn)“異想天開”，能不能直接在硅中做激光器件使它能夠與微電子集成，這確實(shí)有很大的風(fēng)險(xiǎn)，但是科學(xué)研究上的創(chuàng)新很多都是從異想天開發(fā)展而來的。在這種想法的激勵(lì)下，我?guī)ьI(lǐng)了幾位同行開始了硅激光電子學(xué)這個(gè)新領(lǐng)域的研究。92年多孔硅發(fā)光現(xiàn)象給了人們一點(diǎn)啟示，硅中也能發(fā)光。盡管多孔硅發(fā)光的機(jī)制還并不十分清楚，但能夠達(dá)成的共識是發(fā)光的根本機(jī)制與量子尺寸效應(yīng)有關(guān)。于是，我們開始研究硅中的量子阱，利用能帶工程的方法，在應(yīng)變層技術(shù)的支持下，把硅和錯(cuò)做在一起可以在硅中形成量子阱。量子阱對三維的量子尺寸效應(yīng)并不十分明顯，于是我們繼續(xù)研制量子線（一維），量子點(diǎn)（零維）。通過我們的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)的發(fā)光效率比量子點(diǎn)要高得多。另外我們也試圖尋找更新的途徑。比如，如何通過能帶工