微电子、光电子高技术的发展源于 固体能带的基论文

微电子、光电子高技术的发展源于 固体能带的基论文

　　人类社会正步入一个高度信息化、自动化的知识经济新时代。信息产业与能源、交通被列为现代化社会的三要素，成为当今国际间综合国力竞争的重要基础。信息的超大容量传送、超快速度处理及超高密度的记忆存储已成为衡量社会现代化水平的重要标志。

　　微电子与光电子技术是信息技术的两大支柱，它对社会生产力发展的推动和文明生活的提高与丰富已日益被人们切身感受到。固体电子学的基础建立于1949年肖克莱提出的半导体P—N结结构与理论，微电子技术的发展则起始于60年代初平面型晶体管的问世，而1959年MOS型表面晶体管的提出与实现又使器件的功耗大幅度降低，使超大规模集成电路成为可能。目前最高的集成度研究水平已迈向1000M位，256M位芯片已开始进入市场。可以说，微电子芯片已成为当今电脑产业的食粮，随着逻辑门电路集成度的提高，电脑的功能在日新月异地拓展，而尺寸却以惊人的速度不断缩小，在一个芯片上实现一部电脑运作的复杂功能已成为现实。然而微电子技术也有它的局限性，在极大规模微电子集成芯片中，器件尺寸的线度已缩小到深亚微米（100nm）级，接近电子波长的量级，作为信息载体的电子流的宏观集体效应将被电子波行为的体现所替代，因此企望突破“纳秒”响应的门槛遇到了困难。

　　光电子技术的发展始于1962年砷化镓半导体激光二极管的问世。30多年来，其主要的生长工艺经历了同质扩散、同质外延、异质外延、超薄层外延和单原子层外延等几个重要阶段，使目前半导体激光器的特性和功能有了极大的提高和扩展。例如，激射阈值电流密度已从105A/cm2下降到102A/cm2以下，相应的激射工作电流从10A量级减少到亚mA级；激光器最高温度从77K（液氮温度）提高到400K甚至有的可工作在500K；连续工作器件的寿命从几小时增长到100万小时；单管连续输出功率从1mW提高到10W以上；发射波长已从近红外拓展到近紫外波段等。这些重大的进展与成就已成功地应用于信息工程领域的各重要方面，如光通信工作、光盘存储系统、光泵浦技术和激光制导等方面。皮（10—12）焦耳量级的极低功耗光逻辑开关、微米直径的垂直腔面发射的微腔激光器及其研制出的大规模集成面阵无疑将对二维光信息处理、光神经网络和光逻辑运算技术的发展起着关键的作用。

　　高速电子芯片的光互连是一项为人们极为关注的前沿技术，光波传输的时延几乎可以忽略不计，加上它不存在电磁串扰问题，因而可以解决超高速电子计算机芯片间信息传输中的瓶颈阻塞效应，使其运行速度达到逻辑门响应的极限（ps）量级，至少可以使运算速率再提高3个量级；再者，利用全息图像技术一路信息可多路传输，将有助于并行处理技术的实现。自然，有实用价值的光互连技术对激光器提出了更高的要求，例如电功耗必须很低（与电子芯片的总功耗相当的.mW以下）频响要很快（大于1GHz），使用寿命要很长（0万小时以上）要竖直腔面发射，波长落在可见光波段（便于对准）并能与硅微电子芯片的制备工艺兼容集成。硅是一种间接带隙材料，导带底与价带顶不在k空间的同一位置，因此，发光效率仅为砷化镓的十万分之一。虽然人们一直在寻求一种在硅基片上生长优质砷化镓材料的技术途径，但是，从技术的难度和经济效益的角度来考虑，还不能认为是一种理想的可行方案。突破能带结构的局限，探索高速响应、高发光效率的硅基发光器件，一直是人们关注的一项基础研究课题。正因为如此，1990年，英国的LeighCahann在从化学电解法获得的多孔硅材料中发现了高效率可见光的发射，引起了科技界的轰动。通过多孔硅高效率发光的线索，有希望研制出一种更适于光互连技术需求的量子尺寸硅基发光器件。它意味着光电子技术将可能移入微电子芯片中，从而使信息技术的两大支柱携起手来，融成一体形成有更高性能价格比的硅基光电子产业，为信息技术产业的发展作出历史性的贡献。

　　微电子、光电子的发展完全是建立在固体能带论的基础上的。固体能带论指出，由于周期排列的库仑势场的耦合，半导体中的价电子在一定程度上呈现某种集体行为，然而在能量分布上又存在电子波的相干禁戒特性，因此半导体中的电子布居状态群分为导带与价带，二者又以中间的禁带（带隙）分隔开。从半导体的能带理论出发引出了非常重要的空穴载体的概念，半导体中电子或光电子效应最直接地由最低能量的导带底和价带顶的电子、空穴行为所决定，由此提出的P—N结及其理论已成为当今微电子发展的物理依据。半导体能带结构的具体形态与晶格原子的外层电子行为及晶体结构的对称性和价键特性密切相关，不同的材料（如Si，Ge与GaAs，InP）能带结构各异，除了带隙宽度外，最重要的是导带与价带的最低极值在k空间的位置的不同，GaAsInP等化合物材料的极值同处于k空间的中心位置，称为直接带结构，理论预言此结构电子一空穴的带间复合几率很大，并以辐射光子的形态释放能量，由此引导人们研制成了高效率的LED和半导体激光器，在光电子及光子集成技术的发展中，其重要性可与微电子技术中的晶体管相比拟；而Si，Ge半导体则属间接带结构，受到k空间动量守恒原则的制约，带间辐射跃迁几率比前者低十万倍，因而长期以来未能成为光电子领域发展的主导。

　　社会的不断需求推动着微电子、光电子技术的发展，如果没有在固体能带论方面长期的基础性研究工作的积累，那就不可能以如此迅猛的速度获得如此巨大的成就基础性研究工作的长期积累，为社会提供了一个丰富的知识库使人们能够根据需要从中提取，予以运用。早在30年代就开始建立起来的固体能带论，经历了相当一段时间后，终于成为现代微电子、光电子高技术发展的基础。50年代后期，科学家和工程师们一方面继续深入揭示半导体内部的电子能态结构及其运动规模；另一方面，则加快运用已占有的基础性研究成就，日新月异地开发出一代代新颖的半导体微电子、光电子器件。由此可见，基础性研究的积累关系到高新技术的发展能否应运而生。在当代国际科技产品激烈竞争的年代，谁占有更丰富的基础财富，谁就有更多的途径，用更短的时间、更好的技术去开发出竞争力更强的新型产品来。

　　固体能带论的建立和发展，也为材料科学工程学家们展示了重要的探索研究方向。当了解到砷化镓、磷化铟的能带结构有比硅高得多的发光效率，并且因为它们的导带底部曲率半径比硅小，电子有效质量就小，电子迁移率就一定会比硅大得多，对发展高效率发光器件和超高速电子器件非常适宜，材料科学工程学家们从50年代起就一直致力于开展化合物半导体材料的基础性研究工作。如果没有这种有预见性的早期投入，1962年就不可能出现半导体激光器，也不会有今天GaAs微波集成电路的成就。

　　随着应用技术的发展和基础研究工作的不断深入，人们已经不再满足于对天然材料固有物理属性的利用了，而是考虑能否人工组构各种性能优异的新材料。为此，必须采用原子层生长工程。以分子束外延（MBE）和金属有机化合物气相沉积（MOCVD）为代表的新技术就在这样的背景下应运而生，成为今天开拓新一代光电子、微电子高技术的决定性手段。自从原子层生长技术发明之后，材料科学工程学家们就着手按自己的意图设计生长具有新颖功能的人工结构材料，比如将两种（或多种）不同晶格常数、不同带隙和不同物性的材料（如砷化镓和铝砷化镓）按一定的原子层厚和周期交替生长在一起，形成一种具有人构周期的新材料，即所谓量子阱超晶格材料，统称微结构材料。这种人构材料中的能带结构将由新的原子周期排列顺序所决定，因而天然材料的能带结构将被融合、优化、改造，从而导致了体内电子、光子、声子的运动及其相关作用可按照人们的主观意愿分别得到增强优化。于是，人们就可以运用固体内部电子微观运动的规律来进行新型器件的设计与研制，超低阈值量子阱激光器和超高速弹道晶体管就是一例，人们将此称为能带工程。正是由于能带工程的开发运用，导致了量子光电子学和纳米电子学的诞生，这将使信息技术的发展进入一个新阶段。

　　基础研究的贡献体现在它对物质内部运动规律及其属性的揭示，如果把科学技术比作一棵大树，那么基础研究的重要性就如同根须一样，虽然它不冒出地面为人们所见，但它却是大树的根基。光电子、微电子技术的发展生动有力地说明了这点。

　　信息光电子学的发展才刚刚开始，当前，人们只是比较充分地运用了半导体内部的电子工程，初步地运用了光子工程和激子工程，而对其声子工程和极化子工程却尚未涉及。人工可控量子点生长和微光学谐振腔制备工艺的发展以及单原子置换生长技术的成熟，又使人们能够深入微观世界的王国，运用单原子、单光子波函数的量子特性，这将可能创造出以量子态运作为基础的全新一代的微光电子芯片，实现微电子与光电子的统一，它将引发未来信息高科技一场意义深远的革命。这有待于从事基础研究和应用开发的科学家和工程师们继续探索与开拓，更需要政府部门领导者的理解与支持。