微電子、光電子高技術(shù)的發(fā)展源于 固體能帶的基論文
人類社會正步入一個高度信息化、自動化的知識經(jīng)濟新時代。信息產(chǎn)業(yè)與能源、交通被列為現(xiàn)代化社會的三要素，成為當(dāng)今國際間綜合國力競爭的重要基礎(chǔ)。信息的超大容量傳送、超快速度處理及超高密度的記憶存儲已成為衡量社會現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。
微電子與光電子技術(shù)是信息技術(shù)的兩大支柱，它對社會生產(chǎn)力發(fā)展的推動和文明生活的提高與豐富已日益被人們切身感受到。固體電子學(xué)的基礎(chǔ)建立于1949年肖克萊提出的半導(dǎo)體P—N結(jié)結(jié)構(gòu)與理論，微電子技術(shù)的發(fā)展則起始于60年代初平面型晶體管的問世，而1959年MOS型表面晶體管的提出與實現(xiàn)又使器件的功耗大幅度降低，使超大規(guī)模集成電路成為可能。目前最高的集成度研究水平已邁向1000M位，256M位芯片已開始進入市場�？梢哉f，微電子芯片已成為當(dāng)今電腦產(chǎn)業(yè)的食糧，隨著邏輯門電路集成度的提高，電腦的功能在日新月異地拓展，而尺寸卻以驚人的速度不斷縮小，在一個芯片上實現(xiàn)一部電腦運作的復(fù)雜功能已成為現(xiàn)實。然而微電子技術(shù)也有它的局限性，在極大規(guī)模微電子集成芯片中，器件尺寸的線度已縮小到深亞微米（100nm）級，接近電子波長的量級，作為信息載體的電子流的宏觀集體效應(yīng)將被電子波行為的體現(xiàn)所替代，因此企望突破“納秒”響應(yīng)的門檻遇到了困難。
光電子技術(shù)的發(fā)展始于1962年砷化鎵半導(dǎo)體激光二極管的問世。30多年來，其主要的生長工藝經(jīng)歷了同質(zhì)擴散、同質(zhì)外延、異質(zhì)外延、超薄層外延和單原子層外延等幾個重要階段，使目前半導(dǎo)體激光器的特性和功能有了極大的提高和擴展。例如，激射閾值電流密度已從105A/cm2下降到102A/cm2以下，相應(yīng)的激射工作電流從10A量級減少到亞mA級；激光器最高溫度從77K（液氮溫度）提高到400K甚至有的可工作在500K；連續(xù)工作器件的壽命從幾小時增長到100萬小時；單管連續(xù)輸出功率從1mW提高到10W以上；發(fā)射波長已從近紅外拓展到近紫外波段等。這些重大的進展與成就已成功地應(yīng)用于信息工程領(lǐng)域的各重要方面，如光通信工作、光盤存儲系統(tǒng)、光泵浦技術(shù)和激光制導(dǎo)等方面。皮（10—12）焦耳量級的極低功耗光邏輯開關(guān)、微米直徑的垂直腔面發(fā)射的微腔激光器及其研制出的大規(guī)模集成面陣無疑將對二維光信息處理、光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和光邏輯運算技術(shù)的發(fā)展起著關(guān)鍵的作用。
高速電子芯片的光互連是一項為人們極為關(guān)注的前沿技術(shù)，光波傳輸?shù)臅r延幾乎可以忽略不計，加上它不存在電磁串?dāng)_問題，因而可以解決超高速電子計算機芯片間信息傳輸中的瓶頸阻塞效應(yīng)，使其運行速度達(dá)到邏輯門響應(yīng)的極限（ps）量級，至少可以使運算速率再提高3個量級；再者，利用全息圖像技術(shù)一路信息可多路傳輸，將有助于并行處理技術(shù)的實現(xiàn)。自然，有實用價值的光互連技術(shù)對激光器提出了更高的要求，例如電功耗必須很低（與電子芯片的總功耗相當(dāng)?shù)?mW以下）頻響要很快（大于1GHz），使用壽命要很長（0萬小時以上）要豎直腔面發(fā)射，波長落在可見光波段（便于對準(zhǔn)）并能與硅微電子芯片的制備工藝兼容集成。硅是一種間接帶隙材料，導(dǎo)帶底與價帶頂不在k空間的同一位置，因此，發(fā)光效率僅為砷化鎵的十萬分之一。雖然人們一直在尋求一種在硅基片上生長優(yōu)質(zhì)砷化鎵材料的技術(shù)途徑，但是，從技術(shù)的難度和經(jīng)濟效益的角度來考慮，還不能認(rèn)為是一種理想的可行方案。突破能帶結(jié)構(gòu)的局限，探索高速響應(yīng)、高發(fā)光效率的硅基發(fā)光器件，一直是人們關(guān)注的一項基礎(chǔ)研究課題。正因為如此，1990年，英國的LeighCahann在從化學(xué)電解法獲得的多孔硅材料中發(fā)現(xiàn)了高效率可見光的發(fā)射，引起了科技界的轟動。通過多孔硅高效率發(fā)光的線索，有希望研制出一種更適于光互連技術(shù)需求的量子尺寸硅基發(fā)光器件。它意味著光電子技術(shù)將可能移入微電子芯片中，從而使信息技術(shù)的兩大支柱攜起手來，融成一體形成有更高性能價格比的硅基光電子產(chǎn)業(yè)，為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出歷史性的貢獻。
微電子、光電子的發(fā)展完全是建立在固體能帶論的基礎(chǔ)上的。固體能帶論指出，由于周期排列的庫侖勢場的耦合，半導(dǎo)體中的價電子在一定程度上呈現(xiàn)某種集體行為，然而在能量分布上又存在電子波的相干禁戒特性，因此半導(dǎo)體中的電子布居狀態(tài)群分為導(dǎo)帶與價帶，二者又以中間的禁帶（帶隙）分隔開。從半導(dǎo)體的能帶理論出發(fā)引出了非常重要的空穴載體的概念，半導(dǎo)體中電子或光電子效應(yīng)最直接地由最低能量的導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)碾娮�、空穴行為所決定，由此提出的P—N結(jié)及其理論已成為當(dāng)今微電子發(fā)展的物理依據(jù)。半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的具體形態(tài)與晶格原子的外層電子行為及晶體結(jié)構(gòu)的對稱性和價鍵特性密切相關(guān)，不同的材料（如Si，Ge與GaAs，InP）能帶結(jié)構(gòu)各異，除了帶隙寬度外，最重要的是導(dǎo)帶與價帶的最低極值在k空間的位置的不同，GaAsInP等化合物材料的極值同處于k空間的中心位置，稱為直接帶結(jié)構(gòu)，理論預(yù)言此結(jié)構(gòu)電子一空穴的帶間復(fù)合幾率很大，并以輻射光子的形態(tài)釋放能量，由此引導(dǎo)人們研制成了高效率的LED和半導(dǎo)體激光器，在光電子及光子集成技術(shù)的發(fā)展中，其重要性可與微電子技術(shù)中的晶體管相比擬；而Si，Ge半導(dǎo)體則屬間接帶結(jié)構(gòu)，受到k空間動量守恒原則的制約，帶間輻射躍遷幾率比前者低十萬倍，因而長期以來未能成為光電子領(lǐng)域發(fā)展的主導(dǎo)。
社會的不斷需求推動著微電子、光電子技術(shù)的發(fā)展，如果沒有在固體能帶論方面長期的基礎(chǔ)性研究工作的積累，那就不可能以如此迅猛的速度獲得如此巨大的成就基礎(chǔ)性研究工作的長期積累，為社會提供了一個豐富的知識庫使人們能夠根據(jù)需要從中提取，予以運用。早在30年代就開始建立起來的固體能帶論，經(jīng)歷了相當(dāng)一段時間后，終于成為現(xiàn)代微電子、光電子高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。50年代后期，科學(xué)家和工程師們一方面繼續(xù)深入揭示半導(dǎo)體內(nèi)部的電子能態(tài)結(jié)構(gòu)及其運動規(guī)模；另一方面，則加快運用已占有的基礎(chǔ)性研究成就，日新月異地開發(fā)出一代代新穎的半導(dǎo)體微電子、光電子器件。由此可見，基礎(chǔ)性研究的積累關(guān)系到高新技術(shù)的發(fā)展能否應(yīng)運而生。在當(dāng)代國際科技產(chǎn)品激烈競爭的年代，誰占有更豐富的基礎(chǔ)財富，誰就有更多的途徑，用更短的時間、更好的技術(shù)去開發(fā)出競爭力更強的新型產(chǎn)品來。
固體能帶論的建立和發(fā)展，也為材料科學(xué)工程學(xué)家們展示了重要的探索研究方向。當(dāng)了解到砷化鎵、磷化銦的能帶結(jié)構(gòu)有比硅高得多的發(fā)光效率，并且因為它們的導(dǎo)帶底部曲率半徑比硅小，電子有效質(zhì)量就小，電子遷移率就一定會比硅大得多，對發(fā)展高效率發(fā)光器件和超高速電子器件非常適宜，材料科學(xué)工程學(xué)家們從50年代起就一直致力于開展化合物半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)性研究工作。如果沒有這種有預(yù)見性的早期投入，1962年就不可能出現(xiàn)半導(dǎo)體激光器，也不會有今天GaAs微波集成電路的成就。
隨著應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和基礎(chǔ)研究工作的不斷深入，人們已經(jīng)不再滿足于對天然材料固有物理屬性的利用了，而是考慮能否人工組構(gòu)各種性能優(yōu)異的新材料。為此，必須采用原子層生長工程。以分子束外延（MBE）和金屬有機化合物氣相沉積（MOCVD）為代表的新技術(shù)就在這樣的背景下應(yīng)運而生，成為今天開拓新一代光電子、微電子高技術(shù)的決定性手段。自從原子層生長技術(shù)發(fā)明之后，材料科學(xué)工程學(xué)家們就著手按自己的意圖設(shè)計生長具有新穎功能的人工結(jié)構(gòu)材料，比如將兩種（或多種）不同晶格常數(shù)、不同帶隙和不同物性的材料（如砷化鎵和鋁砷化鎵）按一定的原子層厚和周期交替生長在一起，形成一種具有人構(gòu)周期的新材料，即所謂量子阱超晶格材料，統(tǒng)稱微結(jié)構(gòu)材料。這種人構(gòu)材料中的能帶結(jié)構(gòu)將由新的原子周期排列順序所決定，因而天然材料的能帶結(jié)構(gòu)將被融合、優(yōu)化、改造，從而導(dǎo)致了體內(nèi)電子、光子、聲子的運動及其相關(guān)作用可按照人們的主觀意愿分別得到增強優(yōu)化。于是，人們就可以運用固體內(nèi)部電子微觀運動的規(guī)律來進行新型器件的設(shè)計與研制，超低閾值量子阱激光器和超高速彈道晶體管就是一例，人們將此稱為能帶工程。正是由于能帶工程的開發(fā)運用，導(dǎo)致了量子光電子學(xué)和納米電子學(xué)的誕生，這將使信息技術(shù)的發(fā)展進入一個新階段。
基礎(chǔ)研究的貢獻體現(xiàn)在它對物質(zhì)內(nèi)部運動規(guī)律及其屬性的揭示，如果把科學(xué)技術(shù)比作一棵大樹，那么基礎(chǔ)研究的重要性就如同根須一樣，雖然它不冒出地面為人們所見，但它卻是大樹的根基。光電子、微電子技術(shù)的發(fā)展生動有力地說明了這點。
信息光電子學(xué)的發(fā)展才剛剛開始，當(dāng)前，人們只是比較充分地運用了半導(dǎo)體內(nèi)部的電子工程，初步地運用了光子工程和激子工程，而對其聲子工程和極化子工程卻尚未涉及。人工可控量子點生長和微光學(xué)諧振腔制備工藝的發(fā)展以及單原子置換生長技術(shù)的成熟，又使人們能夠深入微觀世界的王國，運用單原子、單光子波函數(shù)的量子特性，這將可能創(chuàng)造出以量子態(tài)運作為基礎(chǔ)的全新一代的微光電子芯片，實現(xiàn)微電子與光電子的統(tǒng)一，它將引發(fā)未來信息高科技一場意義深遠(yuǎn)的革命。這有待于從事基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)的科學(xué)家和工程師們繼續(xù)探索與開拓，更需要政府部門領(lǐng)導(dǎo)者的理解與支持。
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