半导体科学前沿简介

半导体科学前沿简介一、光电技术的发展历史及其困难问题王启明院士记者：王启明院士，您好。非常感谢您接受我们的采访。我们知道，近几年，光电子技术，光通信等名词经常出现在报纸和电视等各种媒体上，首先，我们想请王启明院士你为我们简单介绍一下与光电子有关的概念，以及光电子技术在上个世纪的发展情况。王启明院士：在介绍光电子技术之前，我先简单的说一下微电子技术的概况。微电子的发展最早起源于1954年巴丁，肖克莱等人在美国贝尔实验室发明了固态晶体管。经过了近半个世纪的发展，也就微电子技术已成为信息技术的基石。在微电子技术中，信息的存储，传输，处理等都是靠电子，严格一点说是电子流来完成的。所以可以说，微电子技术的特征是以电子作为信息的载体。微电子技术发展到现在已是非常成熟了，我们用的手机，计算机和其他的一些家用电器中都用到了微电子技术，它在我们的日常生活中几乎无处不在。目前，在一个很小的芯片上可以集成几亿个晶体管。而将来的计算机的发展一个芯片就可以完成目前计算机主机的功能。那么既然微电子技术这么好了，为什么还要发展光电子技术呢？我来详细的讨论一下这个问题。我们以计算机为例，计算机能够处理信息，靠的是其中的逻辑门，而组成逻辑门的最基本的元件是开关。现在芯片中的开关速度可以做到皮巴丁是10*秒的量级。而芯片中的电子靠谁来传输呢？既然是电子就也就肖克莱应该由金属来传输，目前，常用的是铝或铜的合金。这样就会有电阻电容，就会造成延迟效应，通常称为RC延迟。这种延迟的极限大约是纳秒量级。由于存在这个限制，即使开关速度再快，也要受到这个“瓶颈”的限制。使计算机的单机响应速度只能到纳秒的量级，即10t秒。现在计算机的速度比这个限制要快，使因为大型计算机中普遍使用了并行处理技术，即几个或几十个CPU同时工作。但是许多情况下还是需要直接处理。比如，差一秒钟对我们打电话，看电视几乎没什么影响，但是在现代化的战争中，差一秒甚至一毫秒都可能会极大地影响导弹的命中率。肖克莱所以如果说二十世纪属于纳秒的时代，那么二十一世纪就应该是皮秒的世纪。许多的计算和信息的处理都要精确到皮秒的量级。这是现在的微电子技术面临的重大的挑战。目前最现实

的办法就是采用光子来作为信息的载体。我们知道，光的速度是每秒钟30万公里。在10微米的尺寸上传递只需要不到一皮秒的时间。而且，由于光子不带电，所以信号之间不会互相干扰。这样，研究用光子作为信息存储，传输，处理的载体的学科就叫光子学。由于光子技术如此重要，现在世界各国普遍认为光子技术是二十一世纪高科技竞争的一个制高点。那么什么是光电子学呢？在微电子技术蓬勃发展的同时，人们发现可以利用光电各自的优势来为我们服务。比如激光器，光电探测器，太阳电池如等方面都需要光电结合。这就是早期的光电子学。随着光电子学的发展，人们研究完全利用光来处理信息，于是诞生了光子学。所以可以说，先有了光电子学，又有了光子学。而最终的发展会是光电的再次统一，即更高一个层次上的光电子学。现在正在发展单电子技术和单光子技术，那时信息的载体不再是束流，而是单个的粒子。光子和电子都是利用量子力学的概念，区别只是波长不同而已。我想我们在二十一世纪肯定会走到这一步。那时既不能叫光子信息技术，也不能叫电子信息技术，应该叫量子信息技术。由于光子具有电子所不具备的许多特性所以光子学有它独特的优势。尤其在信息领域。比如通信，我们现在大部分主干网用的都是光纤，信息的载体都是光。由于密集波分复用技术的发展，一根头发丝粗细的光纤就可以传输一亿门电话线路。这是电缆无法比拟的。再如信息存储技术，光盘由VCD发展到DVD，容量增大了好几倍，未来如果研制出能够商用的蓝光激光器，采用蓝光波段的光来作为信息的载体，就又可以使同样大小的光盘的容量增大近十倍。而且光具有相干性，可以实现全息存储，在不到一个平方厘米的芯片上，我们可以把北京图书馆的所有的书都存进去。在计算机方面，未来的发展趋势是光要进入计算机中，发挥光子的优势实现开关的互按结构分类＜单片集成电路＜，PMOSMOS型vNMOSCMOSBiMOSBiCMOSBIMOS型口人舶由上吐』由于光子具有电子所不具备的许多特性所以光子学有它独特的优势。尤其在信息领域。比如通信，我们现在大部分主干网用的都是光纤，信息的载体都是光。由于密集波分复用技术的发展，一根头发丝粗细的光纤就可以传输一亿门电话线路。这是电缆无法比拟的。再如信息存储技术，光盘由VCD发展到DVD，容量增大了好几倍，未来如果研制出能够商用的蓝光激光器，采用蓝光波段的光来作为信息的载体，就又可以使同样大小的光盘的容量增大近十倍。而且光具有相干性，可以实现全息存储，在不到一个平方厘米的芯片上，我们可以把北京图书馆的所有的书都存进去。在计算机方面，未来的发展趋势是光要进入计算机中，发挥光子的优势实现开关的互按结构分类＜单片集成电路＜，PMOSMOS型vNMOSCMOSBiMOSBiCMOSBIMOS型口人舶由上吐』厚膜混合集成电路混合集成电路*姑、口入独faI薄膜混合集成中路fSSIMSI接规模分类＜LSIVLSIULS1GS】数字电路组合逻辑电路

时序逻辑电路按功能分类《模拟电路线性电路非线性电路'数学模拟混合电路按应用领域分类图1.5集成电路的分类记者：光子技术有这么多的好处，但它在我们的实际生活中像微电子技术那样无处不在。您能再给我们谈谈它当前遇到的困难和问题吗？王启明院士：好的。微电子技术的一个很大的优势在于它能够集成化。光子技术的发展的最终也要集成化，否则在很多方面就难以发挥它的优势。因此必须发展固体光子学，而且必须是集成化固体光子学。一方面，光子的特性要比电子丰富得多，那么能够形成的器件也比电子学器件多的多，尺寸差别也很大，这就使集成时要更复杂，更困难。另一方面，光子技术涉及到的物理效应要比电子技术更多，更复杂，对材料的晶体结构有特殊的要求。比如，应用最广泛的半导体材料——硅的晶体结构是完美的立方对称结构，而在光电子技术中要进行信号调制必须是非对称的结构，没有非对称性就没有各向异性，也就表现不出它的非线性效应。当然，人们正在努力克服这些天然的限制。光电子的发展前景十分激动人心的。在光子学蓬勃发展的同时，微电子学也在向着更成熟的方向发展。它们不是相互排斥，而是像一对挛生兄弟，最终会走到一起，这就是未来的量子器件。二、个人的研究领域与研究成果记者：王启明院士，您作为我国半导体光电子领域的著名专家一直奋斗在科研的第一线，请你谈一谈您自己的研究领域和取得的成果。图1激光器的结构硅钡铝钙矿石

王启明院士：我从事半导体光电子学方面的工作始于“文革”之前。我1956年复旦大学毕业以后就一直在半导体所工作。大概从62年开始，我们开始做激光器的研制工作。当时我们与国际的差距只有一年。当时的激光器不仅要求在极低的温度(通常是液氢或液氮)从左至右别为：巴丁(J.从左至右别为：巴丁(J.Bardeen)^肖克菜(W.Schoklcy布拉顿(W,H.Brattain)®13发明晶体管的三位科学家在实驶重中的合影发明晶体管的三名科学家下工作，而且只能脉冲发光。最初我们做的光电子的工作都是基于m-v族材料，如砷化镓，磷化铟等材料。我94年从所长的位置上退下来以后，就一直在考虑将来的科研方向，我想开辟一个新的领域，就是在硅中发展光电子学。人们说，硅是微电子的食粮。从生产资料的角度来说，人类从石器时代，青铜时代，铁器时代，一直到二十世纪是硅材料的时代。但是我刚才提到了微电子技术有它的局限，需要发展光电子学来克服它的局限。如果我们能够让硅发光，就很容易实现光电子和微电子的集成，发挥各自的长处，那它的生命力将是无穷的，将开辟一个新的天地。可是我们都知道硅是典型的间接带隙半导体，它的发光效率比砷化镓要低5个量级。另外硅是立方对称的，加了电场折射率不变化，微处理器的芯片结构这样就无法做信号调制。当然也可以用热光效应，但这种开关的速度只能到毫秒的量级，无法适应高速开关的需要。我当时就有点“异想天开”，能不能直接在硅中做激光器件使它能够与微电子集成，这确实有很大的风险，但是科学研究上的创新很多都是从异想天开发展而来的。在这种想法的激励下，我带领了几位同行开始了硅激光电子学这个新领域的研究。92年多孔硅发光现象给了人们一点启示，硅中也能发光。尽管多孔硅发光的机制还并不十分清楚，但能够达成的共识是发光的根本机制与量子尺寸效应有关。于是，我们开始研究硅中的量子阱，利用能带工程的方法，在应变层技术的支持下，把硅和错做在一起可以在硅中形成量子阱。量子阱对三维的量子尺寸效应并不十分明显，于是我们继续研制量子线（一维），量子点（零维）。通过我们的试验结果发现量子点的发光效率比量子点要高得多。另外我们也试图寻找更新的途径。比如，如何通过能带工