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驗室發(fā)明了固態(tài)晶體管。通過了近半個世紀(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，傳輸，處置等都是靠電子，嚴(yán)格一點說是電子流來完成 的。因此能夠說，微電子技術(shù)的特點是以電子作

2、為信息的載體。 微電子技術(shù)進(jìn)展到此刻已是超級成熟了，咱們用的電話，運算 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，在一個很小的芯片上能夠集 成幾億個晶體管。而以后的運算機(jī)的進(jìn)展一個芯片就能夠夠完 成目前運算機(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)的討論一下那個問 題。咱們以運算機(jī)為例，運算性能夠處置信息，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。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。由于存在那個限制，即便開關(guān) 速度再快，也要受到那個“瓶頸”的限制。使運算機(jī)的單機(jī)響 應(yīng)速度只能到納秒的量級，即10秒。此刻運算機(jī)的速度比 那個限制要快，使因為大型運算機(jī)中普遍利用了并行處置技 術(shù)，即幾個或幾十個CPU同時工作?？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)屬于納秒的時期，那么二十一世紀(jì)就應(yīng)該是皮秒的世紀(jì)。許多的計算和 信息的處置都要精準(zhǔn)到皮秒的量級。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)實的方法確實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刻。而且，由于光子不帶電，因此信號之間可不能 相互干擾。如此，研究用光子作為信息存儲，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)高科技競爭的一個制咼點。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,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)展會是 光電的再次統(tǒng)一，即更高一個層次上的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,在不到一個平方

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。在運算機(jī)方面，以 后的進(jìn)展趨勢是光要進(jìn)入運算機(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、實現(xiàn)全息 存儲,在不到一個平方厘米的芯片 上,咱們能夠把北京圖書館的所有 的書都存進(jìn)去。在運算機(jī)方面，以 后的進(jìn)展趨勢是光要進(jìn)入運算機(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，

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，最終會走到一路，這確實是以后的量子器件。二、個人的研究領(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,我想開辟一個新的領(lǐng)域，確實是 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，人類從石器時期，青銅 時期，鐵器時期，一直到二十世 紀(jì)是材料的時期?？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個量級。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， 無法適應(yīng)高速開關(guān)的需要。我那時就有點“想入非非”，能不能直接在中做件使它能夠與微 電子集成，這確實有專門大的風(fēng)險，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。 在這種方式的鼓勵下，我率領(lǐng)了幾位同行開始了激光電子學(xué)那個新領(lǐng)域的研究。92年多孔發(fā)光現(xiàn)象給了人們一點啟發(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（零維）。通 過咱們的實驗結(jié)果發(fā)覺量子點的發(fā)光效率比量子點要高得多。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)，