半導(dǎo)體物理發(fā)展歷程

1、一、半導(dǎo)體物理的發(fā)展歷程半導(dǎo)體物理是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的一個活躍分支，也是半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要物理基礎(chǔ)。半個多世紀(jì)以來，半導(dǎo)體物理自身不僅在晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶態(tài)半導(dǎo)體、半導(dǎo)體表面、半導(dǎo)體超晶格、納米半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體等領(lǐng)域中都獲得了令世人矚目的重大進(jìn)展，而且它還是一系列新材料、新結(jié)構(gòu)、新效應(yīng)、新器件和新工藝產(chǎn)生的源泉，極大地豐富了凝聚態(tài)物理的研究內(nèi)容和有力地促進(jìn)了半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展。溫故而知新。今天，我們重新認(rèn)識它的發(fā)展規(guī)律與特點(diǎn)，對于把握半導(dǎo)體物理在21世紀(jì)的發(fā)展走向具有直接的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。（一）半導(dǎo)體物理早期發(fā)展階段20世紀(jì)30年代初，人們將量子理論運(yùn)用到晶體中來解釋其中的電子態(tài)。1

2、928年布洛赫提出著名的布洛赫定理，同時發(fā)展完善固體的能帶理論。1931年威爾遜運(yùn)用能帶理論給出區(qū)分導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體的微觀判據(jù)，由此奠定半導(dǎo)體物理理論基礎(chǔ)。到了20世紀(jì)40年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室開始積極進(jìn)行半導(dǎo)體研究，且組織一批杰出的科學(xué)家工作在科學(xué)前沿。1947年12月，布拉頓和巴丁宣布點(diǎn)接觸晶體管試制的成功。1948年6月，肖克利研制結(jié)接觸晶體管。這三位科學(xué)家做出杰出貢獻(xiàn)，使得他們共同獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎。晶體管的發(fā)明深刻改變?nèi)祟惣夹g(shù)發(fā)展的進(jìn)程與面貌，也是社會工業(yè)化發(fā)展的必然結(jié)果。早在20世紀(jì)30年代，生產(chǎn)電子設(shè)備的企業(yè)希望有一種電子器件能有電子管的功能，但沒有電子管里的燈絲，這因?yàn)?/p>

3、加熱燈絲不但消耗能量且要加熱時間，這會延長工作啟動過程。因此，貝爾實(shí)驗(yàn)室研究人員依據(jù)半導(dǎo)體整流和檢波作用特點(diǎn)，考慮研究半導(dǎo)體能取代電子管的可能性，從而提出關(guān)于半導(dǎo)體三極管設(shè)想。直到1947,他們經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)研制了一種能夠代替電子管的固體放大器件，它主要由半導(dǎo)體和兩根金屬絲進(jìn)行點(diǎn)接觸構(gòu)成，稱之為點(diǎn)接觸晶體管。之后，貝爾實(shí)驗(yàn)室的結(jié)型晶體管與場效應(yīng)晶體管研究工作成功。20世紀(jì)50年代，晶體管重要的應(yīng)用價值使半導(dǎo)體物理研究蓬勃地展開。到了20世紀(jì)60年代，半導(dǎo)體物理發(fā)展達(dá)到成熟和推廣時期，在此基礎(chǔ)上迎來微處理器與集成電路的發(fā)明，這為信息時代到來鋪平道路。1958年，安德森提出局域態(tài)理論，開創(chuàng)無序系統(tǒng)研究

4、新局面，這也為非晶態(tài)半導(dǎo)體物理奠定基礎(chǔ)。1967年，Grove等人對半導(dǎo)體表面物理研究已取得重要進(jìn)展，并使得Si-MOS集成電路穩(wěn)定性能得以提高。1969年，江崎與朱兆祥提出通過人工調(diào)制能帶方式制備半導(dǎo)體超晶格。正是在半導(dǎo)體超晶格研究中，馮克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。在1982年，崔琦等發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，這一系列物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)正揭開現(xiàn)代半導(dǎo)體物理發(fā)展序帚。（二）半導(dǎo)體超晶格物理的發(fā)展建立半導(dǎo)體超晶格物理是半導(dǎo)體的能帶理論發(fā)展的必然。之后，人們對各種規(guī)則晶體材料性能有相當(dāng)認(rèn)識，從而開創(chuàng)以能帶理論作為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體物理體系，也借助其來解釋出現(xiàn)的一系列現(xiàn)象。1969年與1976年的分子束外延和金

5、屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積薄膜生長技術(shù)正為半導(dǎo)體科學(xué)帶來一場革命。隨微加工技術(shù)的逐步發(fā)展，加之超凈工作條件的建立，實(shí)現(xiàn)了晶體的低速率生長，也使人們能創(chuàng)造高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，同時為新型半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)及應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。1969年，江崎和朱兆祥第一次提出超品格”概念，這里超”的意思是在天然的周期性外附加人工周期性。1971年，卓以和利用分子束外延技術(shù)生長出第一個超品格材料。從此拉開了超晶格、量子點(diǎn)、量子線和量子阱等等低維半導(dǎo)體材料研究序幕。（三）半導(dǎo)體物理的發(fā)展特點(diǎn)與沿革方向1 .半導(dǎo)體物理的發(fā)展序幕一晶態(tài)半導(dǎo)體物理如果將半導(dǎo)體物理的發(fā)展比喻為一臺威武雄壯的話劇，那么開場劇目則是關(guān)于具有完整周期結(jié)構(gòu)的晶態(tài)

6、半導(dǎo)體的研究。而作為這一研究的兩大理論基石則是于20世紀(jì)30年代創(chuàng)建的固體能帶理論和50年代初期建立的品格動力學(xué)理論。眾所周知，1947年晶體管的發(fā)明就是建立在以量子力學(xué)體系為基礎(chǔ)的固體能帶理論上的。可以說，固態(tài)電子理論的建立，不僅使人們能夠成功地用導(dǎo)帶、價帶和禁帶的概念將金屬、半導(dǎo)體和絕緣體分開，從而對晶態(tài)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識有了一個新的飛躍，而且還使我們能夠深刻理解、牢固掌握和靈活運(yùn)用半導(dǎo)體的各種物性與本質(zhì)，并為設(shè)計(jì)和制備各種半導(dǎo)體器件及其集成電路奠定了重要物理基礎(chǔ)。如果說固體能帶理論是在狀態(tài)空間中描述電子的分布特點(diǎn)與能量狀態(tài)，那么品格動力學(xué)理論則是在實(shí)空間中，從原子微觀振動的概念出發(fā)，深刻揭

7、示品格原子之間的相互作用，即晶體在溫度場中的行為和規(guī)律的理論。它在解釋一系列晶體，當(dāng)然也包括晶態(tài)半導(dǎo)體的熱學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、彈性性質(zhì)、介電性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)等方面都獲得了巨大成功。由玻恩與黃昆二人于1954年完成的晶格動力學(xué)理論這部權(quán)威性經(jīng)典專著，對這些內(nèi)容作了精辟的論述。|有效質(zhì)量理論和空穴”概念的提出，是晶態(tài)半導(dǎo)體物理研究中的另一個重大發(fā)展。引進(jìn)有效質(zhì)量的意義有兩個方面，一是它概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用，使得在解決半導(dǎo)體中的電子處于外力作用下的運(yùn)動規(guī)律時，可以不涉及到半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用。另一方面，它定量地描述了半導(dǎo)體導(dǎo)帶和價帶邊附近細(xì)致的能帶結(jié)構(gòu)，給出了研究半導(dǎo)體中淺施主和淺受主能級、激子能

8、級和磁能級等的理論方法，從而促進(jìn)了當(dāng)時的回旋共振、磁光吸收、自由載流子吸收和激子光譜等實(shí)驗(yàn)研究。而空穴”概念的提出，使得半導(dǎo)體中可以用電子和空穴這兩種載流子來描述半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。正是由于這兩種載流子的作用，使得晶態(tài)半導(dǎo)體呈現(xiàn)出許多異彩紛呈的特性。摻雜與缺陷是晶態(tài)半導(dǎo)體物理研究中的一個不可忽略的重要側(cè)面。通過摻入不同種類的雜質(zhì)可以改變其導(dǎo)電類型，而通過控制摻入雜質(zhì)數(shù)量可以顯著改變其導(dǎo)電能力，這是晶態(tài)半導(dǎo)體的一個重要物理屬性。以P-n結(jié)為基礎(chǔ)的Si平面型雙極晶體管和MOS場效應(yīng)晶體管等半導(dǎo)體器件及其集成電路都是以此為有源區(qū)制作的。此外，在實(shí)際的晶態(tài)半導(dǎo)體中總是存在著一定數(shù)量的各種缺陷，如點(diǎn)缺陷、

9、線缺陷、面缺陷和體缺陷等，它們在決定晶態(tài)半導(dǎo)體的許多物理性質(zhì)方面起著重要的作用，特別是在控制晶態(tài)半導(dǎo)體中的載流子輸運(yùn)過程和光學(xué)特性方面尤為突出。因此,在整個20世紀(jì)5060年代中，人們從理論和實(shí)驗(yàn)等方面對各種缺陷的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)、動力學(xué)性質(zhì)、電子性質(zhì)以及對半導(dǎo)體其它物理性質(zhì)的影響，都進(jìn)行了富有成效的系統(tǒng)研究。1957年由日本物理學(xué)家Esaki發(fā)現(xiàn)的隧道效應(yīng)，是晶態(tài)半導(dǎo)體物理發(fā)展史上的一個科學(xué)里程碑，它開辟了研究半導(dǎo)體中載流子隧道貫穿輸運(yùn)特性的新領(lǐng)域。隧道效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)對半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)發(fā)展所產(chǎn)生的貢獻(xiàn)在于，一是它把具有特殊摻雜分布P-n結(jié)二極管的正向電流-電壓特性，用量子力學(xué)的隧道效應(yīng)從理論上

10、作出了精辟說明。二是它為1969年前后由Esaki及其合作者首次提出半導(dǎo)體超晶格”這一新概念，以及其后在各種半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)中所出現(xiàn)的量子隧穿效應(yīng)研究都提供了重要物理依據(jù)。2 .原子排列從有序向無序的轉(zhuǎn)變一非晶態(tài)半導(dǎo)體物理作為半導(dǎo)體物理中的一個活躍前沿，非晶態(tài)半導(dǎo)體物理在上世紀(jì)7080年代初期獲得了迅速發(fā)展。因?yàn)檠芯糠蔷B(tài)半導(dǎo)體的意義，不僅是在科學(xué)技術(shù)上能夠獲得大量的新材料和新器件，而且對于認(rèn)識固體理論中的許多基本物理問題也會產(chǎn)生重要影響。與晶態(tài)半導(dǎo)體不同，非晶態(tài)半導(dǎo)體是一類無序體系，即短程有序和長程無序。對于這種結(jié)構(gòu)中電子的能量狀態(tài)與運(yùn)動規(guī)律，不能機(jī)械地采用傳統(tǒng)的固態(tài)電子理論研究，而必須借助于新

11、的理論模型。為了解決這個問題，人們經(jīng)過長期努力，終于找到了能夠比較成功地描述非晶態(tài)半導(dǎo)體中電子態(tài)的理論。1958年,Anderson發(fā)表了具有開創(chuàng)性的擴(kuò)散在一定的無規(guī)網(wǎng)絡(luò)中消失的著名論文，首次明確提出了無序體系中電子的定域化概念。其后,Mott等人在深入的實(shí)驗(yàn)和理論研究基礎(chǔ)上，又提出了遷移率邊和帶尾定域態(tài)的概念（即Mott2COF模型），從而豐富了人們對非晶態(tài)半導(dǎo)體能帶理論的認(rèn)識與理解。由于Mott與Anderson對非晶態(tài)半導(dǎo)體理論研究作出的重大貢獻(xiàn)，使他們共同榮獲了1977年諾貝爾物理學(xué)獎，成為非晶態(tài)半導(dǎo)體物理發(fā)展中的一個重要里程碑。由于非晶態(tài)半導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)特性與電子性質(zhì)方面與晶態(tài)半導(dǎo)體不同

12、，這使得它也有著顯著不同的輸運(yùn)性質(zhì)。從20世紀(jì)70年代初期開始，人們先后用多種電學(xué)與光學(xué)測量方法，對非晶態(tài)半導(dǎo)體的隙態(tài)密度及其分布特征進(jìn)行了測量分析，并比較系統(tǒng)地研究了非晶態(tài)半導(dǎo)體中電子漂移遷移率以及彌散性傳導(dǎo)過程。其中,1972年由Anderson所提出的跳躍過程中電子-聲子相互作用的模型，在發(fā)展無序體系中電子的跳躍式輸運(yùn)特性理論方面起了重要作用。關(guān)于非晶態(tài)半導(dǎo)體在器件的實(shí)際應(yīng)用方面，在20世紀(jì)70年代前后有兩個重大發(fā)展。一是1968年由Ovshinsky在硫系非晶態(tài)半導(dǎo)體中所發(fā)現(xiàn)的開關(guān)和存儲效應(yīng)，二是1975年由Spear等人利用SiH4的直流輝光放電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的非晶硅（民2Si的摻雜效應(yīng)。

13、開關(guān)和存儲效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，首次顯示出非晶態(tài)半導(dǎo)體在光電開關(guān)與信息存儲器件應(yīng)用方面的巨大威力，而a2Si的可控?fù)诫s使其室溫電導(dǎo)率提高了近10個數(shù)量級，從而為a2Si太陽電池和非晶硅薄膜晶體管（a2Si:HTH）的研制開辟了新的用武之地。非晶態(tài)半導(dǎo)體薄膜在光電效應(yīng)方面的敏感性，使它成為制備新型光電器件的自然候選者。但是，非品態(tài)半導(dǎo)體的性能會因光照而發(fā)生具有亞穩(wěn)的光誘導(dǎo)現(xiàn)象。因而，澄清代表光誘導(dǎo)現(xiàn)象的SW效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理和持久光電導(dǎo)過程的起因，成為非晶態(tài)半導(dǎo)體物理研究中的又一個關(guān)鍵問題。20世紀(jì)80年代中，人們相繼提出了Si2Si弱鍵斷裂模型、懸掛鍵電荷變化模型和Si2H鍵斷裂模型，用于解釋a2Si:H中

14、的SW效應(yīng)。然而，這些模型都不能令人信服地解釋SW效應(yīng)的物理機(jī)制。隨著實(shí)驗(yàn)事實(shí)的不斷積累，人們逐漸認(rèn)識到，SW效應(yīng)不能簡單地用孤立的價鍵構(gòu)型變化來闡明，認(rèn)為這種效應(yīng)很有可能與由于光照引起的整個Si網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變有關(guān)?；谶@樣一種觀點(diǎn)，我國學(xué)者孔光臨等人首次利用差分電容膨脹計(jì)方法”進(jìn)行實(shí)當(dāng)測定，發(fā)現(xiàn)了a2Si:H膜在光照作用下會出現(xiàn)體積增大的現(xiàn)象，認(rèn)定SW效應(yīng)就是這種光膨脹”的后續(xù)效應(yīng)，從而為澄清SW效應(yīng)的起因提供了一個十分重要的新見解。3 。材料性質(zhì)從體內(nèi)向表面的轉(zhuǎn)變一半導(dǎo)體表面物理表面與界面物理在半導(dǎo)體物理研究中占據(jù)著舉足輕重的地位，并且隨著半導(dǎo)體器件尺寸的微細(xì)化、結(jié)構(gòu)的低維化和性能的量子化

15、，表面與界面在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)和器件物理研究中所起的作用越加重要。表面和界面物理研究的最主要問題是清潔表面、真實(shí)表面和各類異質(zhì)結(jié)界面的原子組態(tài)、電子結(jié)構(gòu)及其對器件性能的影響。尤其是最近，隨著各種固體表面上自組織生長以量子線和量子點(diǎn)為主的各類有序納米結(jié)構(gòu)的興起，人工設(shè)計(jì)表面原子結(jié)構(gòu)”的研究也引起了人們的濃厚興趣。早在20世紀(jì)60年代初期人們就意識到，Si2MOS器件與集成電路的穩(wěn)定性可能與柵氧化層中的各種界面電荷狀態(tài)直接相關(guān)。但深刻揭示它們的性質(zhì)、起因、對器件性能的影響以及如何對它們進(jìn)行有效地控制，并不是一件輕而易舉的事情。為此,眾多科學(xué)家如Grove和Deal等人通力合作，他們經(jīng)過近10年的艱苦

16、努力，終于在1967年基本上搞清了Si2SiO2界面系統(tǒng)中的四種電荷的性質(zhì)和起因，即可動Na+離子、固定表面電荷、快界面態(tài)與電離輻照陷阱等，并且在工藝上找到了以摻氯氧化和磷硅玻璃鈍化等為主的表面鈍化方法，由此使Si2MOS集成電路的穩(wěn)定性得以顯著提高。Si2SiO2界面電學(xué)性質(zhì)的研究使人們開始意識到表面與界面物理研究所具有的重要意義。而作為表面物理的核心內(nèi)容，是表面原子結(jié)構(gòu)與表面電子態(tài)的系統(tǒng)研究。由于半導(dǎo)體表面是體內(nèi)原子在三維周期方向上排列的中斷，這種與體內(nèi)不同的原子排列方式，使它有著與體內(nèi)顯著不同的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。通常，半導(dǎo)體表面又分兩種，一種是在超高真空中獲得的與理想表面相接近的表面，即清潔

17、半導(dǎo)體表面。另一種則是帶有很薄氧化層的、或有原子與分子吸附的實(shí)際表面，即吸附半導(dǎo)體表面。清潔半導(dǎo)體表面的研究主要集中在以Si和Ge為主的元素半導(dǎo)體和以GaAs和InP為主的m-V族化合物。半導(dǎo)體方面。在這一領(lǐng)域的研究中，人們一方面用表面電子態(tài)理論對其電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算，另一方面借助于各種電子和離子能譜等表面分析手段進(jìn)行測試分析，由此獲得了有關(guān)晶體表面的原子排列狀態(tài)、價鍵組合方式以及電子能量分布等大量有用信息。而在清潔表面的研究中，通過表面熱處理獲得的各種再構(gòu)表面，如Si(100)-(2的、Si(111)-(2舔、GaAs(001)-(2W)以及GaAs(111)-(20等則是研究的重點(diǎn)。尤其

18、值得一提的Si(111)-(77)表面，是自1959年來關(guān)于Si清潔表面研究的一個熱點(diǎn)課題。雖然人們先后提出過各種模型，用于解釋該表面的原子結(jié)構(gòu)，但都未能給出一幅清晰的物理圖象。直到1985年，日本的Takayanagi在前人工作的基礎(chǔ)上，利用透射電子衍射提出了配位-外加原子-層錯”(DA磁型,才第一次比較成功地解釋了Si(111)-(77)的表面原子結(jié)構(gòu)，這是在表面再構(gòu)問題研究中取得的一個顯著進(jìn)展。20年后的今天，我們不僅對各類再構(gòu)表面原子結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了一個比較清楚的物理認(rèn)識，而且還可以利用高真空掃描隧道顯微鏡等多種表面分析手段對其進(jìn)行直接觀測，甚至還可以做到對其表面原子進(jìn)行任意操縱。應(yīng)該說，

19、這是現(xiàn)代表面分析手段對半導(dǎo)體表面物理研究所作出的重大貢獻(xiàn)。吸附半導(dǎo)體表面有著比清潔半導(dǎo)體表面更豐富的研究內(nèi)容，如吸附物(如原子、分子和凝聚等)的類型、起因、性質(zhì)、位置和成鍵特性及其對表面電子結(jié)構(gòu)的影響。而更為重要的是從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，研究吸附物在固體表面上所發(fā)生的反應(yīng)、遷移、擴(kuò)散、成核以及解吸等表面物理化學(xué)過程，這對各類超薄層微結(jié)構(gòu)，如納米薄膜、量子線與量子點(diǎn)或團(tuán)簇等的制備具有十分重要的實(shí)際意義。事實(shí)上，目前的許多量子點(diǎn)微結(jié)構(gòu)都是在品格失配的表面、再構(gòu)的表面、臺階的表面以及由原子或分子吸附的表面上實(shí)現(xiàn)的，并且已經(jīng)成為晶粒尺寸趨于一致和密度分布趨于均勻的有序納米量子點(diǎn)自組織化形成的一種主要工

20、藝方法。可以預(yù)期，清潔表面與吸附表面的深入研究，必將會為各類半導(dǎo)超薄層微結(jié)構(gòu)的生長與新型量子功能器件的制造產(chǎn)生重要影響。除了表面之外，由金屬-半導(dǎo)體接觸，絕緣體-半導(dǎo)體接觸以及由多層半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成的各種界面，也是半導(dǎo)體表面物理研究中的一個重要組成部分，例如Al2Si接觸界面、過渡金屬-Si界面、稀土金屬-Si界面、多晶Si-Si界面以及金屬-化合物半導(dǎo)體界面等就是一些最典型的界面。長期以來，通過人們對此所進(jìn)行了大量卓有成效的實(shí)驗(yàn)研究，不僅使我們對各種界面處的原子排列、價鍵結(jié)合、界面互擴(kuò)散和界面電子結(jié)構(gòu)有了一個深入的了解，而且通過工藝技術(shù)的提高進(jìn)一步改善了器件性能，由此大大推動了各類大規(guī)模集成電

21、路的迅速發(fā)展。5.體系結(jié)構(gòu)從三維向零維的轉(zhuǎn)變一納米半導(dǎo)體物理納米半導(dǎo)體材料與物理是隨著半導(dǎo)體超晶格研究的不斷深化和納米科學(xué)技術(shù)的急速興起而發(fā)展起來的。作為凝聚態(tài)物理中的一個活躍分支，以量子線、量子點(diǎn)、納米團(tuán)簇等為主的納米結(jié)構(gòu)的研究一直是近10年來人們所跟蹤的一個熱點(diǎn)。因?yàn)閷@種小量子體系進(jìn)行研究不僅有重要的科學(xué)意義，而且有著巨大的應(yīng)用前景。三維量子限制效應(yīng)是納米量子點(diǎn)所具有的一個最重要物理性質(zhì)，利用這種效應(yīng)可以對各種納米量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的發(fā)光特性進(jìn)行成功解釋。我們不妨以硅基納米發(fā)光材料的研究為例加以說明。1990年，英國科學(xué)家Canham利用電化學(xué)方法制備了納米多孔硅，首次觀測到了該納米結(jié)構(gòu)中的室溫

22、強(qiáng)光致發(fā)光現(xiàn)象。同年，日本學(xué)者Takagi等人實(shí)驗(yàn)研究了鑲嵌于SiO2層中的Si納米晶粒，發(fā)現(xiàn)室溫下Si晶粒的發(fā)光特性強(qiáng)烈依存于Si晶粒尺寸。1996年,Lockwood等人實(shí)驗(yàn)研究了室溫條件下SiO2/Si超晶格結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光特性，也顯著觀察到了光致發(fā)光的峰值能量隨Si層厚度減小而出現(xiàn)藍(lán)移的物理現(xiàn)象。這些納米結(jié)構(gòu)的發(fā)光特性都利用三維量子限制效應(yīng)進(jìn)行了合理解釋。當(dāng)然，由于各種Si基納米材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不能單由上述模型進(jìn)行解釋。因此，我們最近提出了用于解釋各種Si基納米材料發(fā)光特性的三種重要發(fā)光模型，即量子限制效應(yīng)發(fā)光、與氧相關(guān)的缺陷發(fā)光、量子限制效應(yīng)-發(fā)光中心復(fù)合發(fā)光。除了Si基納米材料之外

23、，in-V族化合物量子點(diǎn)，如InAs/GaAs,In2GaAs/GaAs以及田族氮化物GaN,AlGaN和InGaN等量子點(diǎn)的發(fā)光特性、發(fā)光機(jī)制與器件應(yīng)用的研究也都取得了令人稱道的重要進(jìn)展。而在量子點(diǎn)的輸運(yùn)性質(zhì)研究方面，以單電子隧穿和庫侖阻塞為主的單電子物理具有代表性。早在15年前的1989年，人們首先利用金屬微小隧道結(jié)構(gòu)觀測到了該結(jié)構(gòu)所具有的庫侖阻塞現(xiàn)象。其后，各種納米結(jié)構(gòu)中的單電子現(xiàn)象研究和以此為基礎(chǔ)的單電子器件的制備也相繼展開。人們對此項(xiàng)研究的濃厚興趣正如上所述,一是通過對其研究可以豐富和深化對低維小量子系統(tǒng)中電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)的理解，如單電子隧穿、電荷的量子化、能級的共振、電流的呈庫侖

24、臺階現(xiàn)象，電導(dǎo)的呈周期振蕩特性，單電子存儲以及近藤效應(yīng)等。二是性能優(yōu)異的單電子器件及其集成電路在未來的大容量信息存儲、高速邏輯運(yùn)算、復(fù)雜數(shù)據(jù)處理以及量子計(jì)算中都具有潛在的重要應(yīng)用。作為從電子體系到光子體系轉(zhuǎn)變的代表，近年來光子晶體和膺帶隙光子晶體的研究日趨活躍。光子晶體的誕生是由于人們希望能像控制電子一樣來控制光子，類似于半導(dǎo)體周期性結(jié)構(gòu)對電子的控制，使電子不能在禁帶中存在，但可以跨禁帶躍遷。證明光子晶體存在的首例實(shí)驗(yàn)，是用機(jī)械鉆刻方法在GaAs襯底上制備的具有面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)的光子晶體。最近，在InP襯底和Si基襯底材料上也先后試制成功了二維和三維的光子一帶隙晶體?？梢灶A(yù)期，就象半導(dǎo)體

25、對電子學(xué)的貢獻(xiàn)一樣，光子晶體將會對光子學(xué)和光電子學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響，或者會具有某種革命性的意義。而作為從電子輸運(yùn)到自旋操作轉(zhuǎn)變的研究，納米結(jié)構(gòu)中的自旋電子學(xué)也初露端倪。所謂自旋電子學(xué)是研究利用固體中電子的自旋而不是電荷來傳遞信息，由載流子的自旋和磁性雜質(zhì)的相互作用產(chǎn)生了一系列的與自旋有關(guān)的效應(yīng)。將它們與標(biāo)準(zhǔn)的微電子技術(shù)結(jié)合起來，為新一代量子器件的研制將會提供更好的機(jī)會和更大的發(fā)展空間。最近，納米級自旋電子學(xué)材料取得重大進(jìn)展。通過大規(guī)模系統(tǒng)的高精度第一原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)三個3d過渡金屬硫化物的閃鋅礦相具有優(yōu)異的半金屬鐵磁性，并且其結(jié)構(gòu)性能適合作成具有足夠厚度的薄膜或?qū)訝畈牧?，便于?yīng)用于納米級自旋電

26、子器件。最近,Koto等人在研究中出人意料地發(fā)現(xiàn)，自旋控制可以通過將半導(dǎo)體薄膜置于一個所施加的電場中使其受到應(yīng)力作用而實(shí)現(xiàn)。這種電子自旋的控制方法既不用磁場也不用磁性材料，因而既方便又靈活。6。元素組成從原子向分子的轉(zhuǎn)變一有機(jī)半導(dǎo)體物理有機(jī)電致發(fā)光器件是當(dāng)今顯示器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，越來越多的人們正致力于開發(fā)高性能的電致發(fā)光材料和研制高效率的器件結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，以有機(jī)半導(dǎo)體材料為主的電致發(fā)光材料、物性及器件應(yīng)用的研究，可以追溯到上世紀(jì)6070年代,當(dāng)時有關(guān)簡單有機(jī)分子晶體，如蔡、慈及并多苯的電子性質(zhì)研究就已開始并明確了分子本身的電子結(jié)構(gòu)仍然大體上遺存在晶體中發(fā)揮作用。然而總體而言這一時期中關(guān)于有機(jī)

27、半導(dǎo)體等電致發(fā)光材料的研究未能取得明顯進(jìn)展。到了20世紀(jì)80年代，有機(jī)薄膜制備技術(shù)有了長足的進(jìn)展，從而為發(fā)展有機(jī)半導(dǎo)體材料提供了便利條件。1987年，美國EastmanKodak公司的Tang等人對有機(jī)電致發(fā)光進(jìn)行了具有開創(chuàng)性的研究。他們采用由芳香族六胺的空穴輸運(yùn)層和Alq3（82羥基唾咻）的發(fā)射層組成的雙層有機(jī)膜結(jié)構(gòu)，演示成功了高效電致發(fā)光器件，從而使有機(jī)半導(dǎo)體的研究開始受到化學(xué)與半導(dǎo)體物理學(xué)界的高度重視。物理與化學(xué)兩大學(xué)科的緊密交叉和化學(xué)家與物理學(xué)家的密切合作，使有機(jī)聚合物材料的研究呈現(xiàn)出令人欣慰的新面貌。劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的弗朗德與大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的荷爾姆斯長期合作，于1990年試制成

28、功了第一個聚合物（聚對苯乙烯）發(fā)光二極管，由此開創(chuàng)了聚合物發(fā)光的新領(lǐng)域。近10余年來，不管是有機(jī)電致發(fā)光材料物理，還是有機(jī)電致發(fā)光器件與陣列，或是有機(jī)場效應(yīng)晶體管及其相應(yīng)集成電路的研究，都取得了一系列顯著進(jìn)展。如弗朗德利用聚合物的自組織特性將聚嚷吩體系的載流子遷移率提高了5個數(shù)量級，并試制了場效應(yīng)晶體管。特別是2000年SchTon研究組的一系列工作，使有機(jī)單晶體的研究跨上了一個新臺階。他們成功地制備了純度較高的有機(jī)單晶體（并四苯、并五苯和C60等），而將這些絕緣體制成場效應(yīng)管，通過改變極電壓來對晶態(tài)表面層進(jìn)行電子或空穴摻雜。由于所摻入的電子或空穴僅限于晶體表面薄層內(nèi)，從而避免了由化學(xué)摻雜引入的無序和結(jié)構(gòu)畸變等不利影響。結(jié)果證實(shí)，不僅有機(jī)晶體的遷移率有了明顯提高，而且還在1。7K超低溫下觀測到了量子霍耳效應(yīng)。隨后，他們又在并四苯晶體中同時摻入了電子和空穴，并通過它們的復(fù)合而發(fā)射激光，這是采用有機(jī)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)的首例電致發(fā)光研究。關(guān)于有機(jī)半導(dǎo)體中基礎(chǔ)物理的研究也是令人感興趣的課題，如有機(jī)固體分子中激子束縛能問題便是其中之一例。物理學(xué)家和化學(xué)家都采用光生電流譜和光吸收譜研究了這種材料中的激子束縛能。有人指出激子的束縛能不超過60meV,因此聚合物屬于電子弱關(guān)聯(lián)體系的一維半導(dǎo)體。而有人對聚對苯乙烯所作的研究認(rèn)為，其激子束縛能