(完整word版)2000年诺贝尔物理奖简介

2000年诺贝尔物理奖简介——半导体研究的突破性进展若尔斯阿尔费罗夫基尔比赫伯特克勒默2000年的诺贝尔物理奖，颁给俄罗斯艾尔菲物理技术学院(Ioffe Physico-Technical Institute)的阿法洛夫(Z. I. Alferov)、美国加州圣塔巴巴拉大学的克洛姆(H. Kroemer)、以及美国德州仪器公司的基尔比(J. S. Kilby)。

他们三个人的得奖理由，是因为研究成果奠定了现代信息科技的基石，尤其是有关于快速晶体管、激光二极管和集成电路的发明。

人类的文明历经石器时代、农业社会、工业社会，到现在已步入了信息社会。

现今的信息科技进展快速，着实令人目不暇给，我们正面临着另一次的文化变革。

我们现在透过计算机能很快地接收或传递世界各地的信息，经由光纤因特网能和全球各式各样的社群交往；而借着人造卫星，行动电话可以图一半导体异质结构激光的基本组无孔不入的找到需要沟通的人。

二十年前，我们很难想象信息科技会将人类社会引导入如此的境地，而现在它正变化快速地向不可知的未来迈进。

导致现代信息科技发展的两个主要条件，就是组成信息系统的组件必需运作快速，且必需是轻、薄、短、小。

这些电子组件因为运件快速，所以能在短时间内处理大量信息；又因为体积很小，所以能随身携带，为一般的家庭、办公室所接受。

阿法洛夫和克拉姆利用半导体异质结构所发明的快速，光电组件是现代信息科技的必备组件，例如人造卫星与行动电话中的快速晶体管，在光纤中传递讯息的激光二极管，以及激光唱盘所使用的激光。

基尔比所发明的集成电路，将各种不同的电子组件聚集在同一芯片上，使得功能强大、复杂的电路系统能被微小化，促成了现今微电子工业的蓬勃发展。

以下就简单介绍半导体异质结构的基本特性与应用、集成电路的发展沿革，以及未来的展望。

半导体异质结构的基本特性：所谓半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜，依先后次序沈积在同一基座上。

例如图一所描述的就是利用半导体异质结构所作成的激光之基本架构。

为了说明半导体异质结构的基本特性，就以最简单的结构作为例子，如图二所示。

在图二中，中间有一层砷化图二 砷化镓与砷化铝镓异质结构量子井的简图。

镓，其被二边的砷化铝钾夹住，因为砷化镓的能隙较砷化铝镓小，所以就产生了如图二下半部的能带排列结构，以下就简单描述一些半导体异质结构的特性。

(1)量子效应：因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，而中间层可以只有几十埃（1埃＝10-10米）的厚度，因此在如此小的空间内，电子的特性会受到量子效应的影响而改变。

例如：能阶量子化、基态能量增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电子特性很重要的因素。

(2)迁移率(Mobility)变大：半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在一般的半导体材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。

然而在异质结构中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量（如图三所示）。

因此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大增加，这是高速组件的基本要素。

(3)奇异的二度空间特性：因为电子被局限在中间层内，其沿夹层的方向是不能自由运动的，因此该电子只剩下二个自由度的空间，半导体异质结构因而提供了一个非常好的物理系统可用于研究低维度的物理特性。

低维度的电子特性相当不同于三维者，如电子束缚能的增加、电子与空穴复合率变大，量子霍尔效应，分数霍尔效应等。

科学家利用低维度的特性，已经已作出各式各样的组件，其中就包含有光纤通讯中的高速光电组件，而量子与分数霍尔效应分别获得诺贝尔物理奖。

(4)人造材料工程学：半导体异质结构之中间层或是两旁的夹层，可因需要不同而改变。

例如以砷化镓来说，镓可以被铝或铟取代，而砷可以用磷、锑、或氮取代，所设图三 半导体异质结构的调制掺杂现象，其可将自由电子或杂质在空间上分隔。

计出来的材料特性因而变化多端，因此有人造材料工程学的名词出现。

最近科学家将锰原子取代镓，而发现具有铁磁性的现象，引起很大的重视，因为日后的半导体组件，有可能因此而利用电子自旋的特性。

此外，在半导体异质结构中，如果邻近两层的原子间距不相同，原子的排列会被迫与下层相同，那么原子间就会有应力存在，该应力会改变电子的能带结构与行为。

现在该应力的大小已可由长晶技术控制，因此科学家又多了一个可调变半导体材料的因素，产生更多新颖的组件，例如硅锗异质结构高速晶体管。

从以上的描述，可以理解到半导体异质结构提供一个很好的方向，可以用来调变半导体的特性，不论是在学术上或是应用上都具有很大的潜力。

然而该研究在早期确是受到很大的质疑，其主要原因在于要用什么样的方法，才能长出平整的薄膜，而且只具有一个原子大小的厚度。

著名的物理学家诺贝尔奖得主宜沙基(Esaki)，早期有关此方面的论文曾被退稿(PhysicalReview Letters)，其中评审的意见是“理论太过简单，而实验上不可行”，至今他仍然忿忿不平。

因此在此领域的研究先驱，必须有足够的胆识与毅力才能有今日的成就。

半导体异质结构的应用：(1)发光组件(light emitting devices, LED)：因为半导体异质结构能将电子与空穴局限在中间层内，电子与空穴的复合率因而增加，所以发光的效率较大；同时改变量子井的宽度亦可以控制发光的频率，所以现今的半导体发光组件，大都是由异质结构所组成的。

半导体异质结构发光组件，相较其它发光组件，具有高效率、省电、耐用等优点，因此广泛应用于剎车灯、交通号志灯、户外图四 激光唱盘需使用到半导体异质结构雷射二极管。

展示灯．．．等。

值得一提的是在1993年，日本的科学家研发出蓝色光的半导体组件，使得光的三原色红、绿、蓝，皆可用半导体制作，因此各种颜色都可用半导体发光组件得到，难怪大家预测家庭用的灯炮、日光灯，即将被半导体发光组件所取代。

(2)激光二极管：半导体激光二极管的基本构造，与上述的发光组件极为类似，只不过是激光二极管必须考虑到受激发光(stimulated emission)与共振的条件。

使用半导体异质结构，因电子与空穴很容易掉到中间层，因此载流子数目反转(populationinversion)较易达成，这是具有受激发光的必要条件，而且电子与电洞因被局限在中间层内，其结合率较大。

此外，两旁夹层的折射率与中间层不同，因而可以将光局限在中间层，致使光不会流失，而增加激光强度，是故利异质结构制作激光，有很大的优点。

第一个室温且连续发射的半导体异质结构激光，是在1970年由阿法洛夫领导的研究群所制作出来的，而克拉姆则在1963年发展了有关半导体异质结构激光的原理。

半导体激光二极管的应用范围亦相当广泛，如激光唱盘（如图四所示），高速光纤通讯、激光打印机、激光笔．．．等。

(3)异质结构双极晶体管：(heterojunction bipolar transistor, HBT)在半导体异质结构中，中间层有较低的能带，因此电子很容易就由旁边的夹层注入，是故在晶体管中由射极经过基极到集极的电流，就可以大为提高，晶体管的放大倍率也为之增加；同时基极的厚度可以减小，其掺杂浓度可以增加，因而反应速率变大，所以异质结构得以制作快速晶体管。

利用半导体异质结构作成晶体管的建议与其特性分析，图五 行动电话基地台的电波发射与接收需使用到半导体异质结构高速电子迁移率晶体管。

是由克接拉姆在1957提出的。

半导体异质结构双极晶体管因具有快速、高放大倍率的优点，因而广泛应用于人造卫星通讯或是行动电话．．．等。

(4)高速电子迁移率晶体管(high electron mobilitytransistor, HEMT)高速电子迁移率晶体管，就是利用半导体异质结构中杂质与电子在空间能被分隔的优点，因此电子得以有很高的迁移率。

在此结构中，改变闸极(gate)的电压，就可以控制由源极(source)到泄极(drain)的电流，而达到放大的目的。

因该组件具有很高的向应频率(600GHz)且低噪声的优点，因此广泛应用于无限与太空通讯（如图五所示），以及天文观测。

(5)其它应用：半导体异质结构除了用于上述组件外，亦大量使用于其它光电组件，如光侦测器、太阳电池、标准电阻或是光电调制器．．．等。

又因为长晶技术的进展，单层原子厚度的薄膜已能控制，因此半导体异质结构提供了高品质的低维度系统，让科学家能满足探求低维度现象的要求。

除了在二度空间观测到量子与分数量子霍尔效应外，科学家已进一步在探求异质结构中的一维与零维的电子行为，预期将来还会陆续有新奇的现象被发掘，也会有更多新颖的异质结构组件出现。

图六 摩尔定律描述动态内存密度随年代增加的情形。

集成电路的演进：集成电路因涉及将不同组件制作在同一芯片上，因此其成就较偏重于技术的突破，对于物理原理的贡献较缺乏。

然而其影响层面极为广泛，从计算机、洗衣机、电视、汽车、手表、医疗器材．．．等，含盖了所有现代的电子科技，其重要性难以估计。

发明集成电路的人，除了今年诺贝尔物理奖主基尔比外，还必须归功于诺宜斯(Robert Noyce)。

虽然基尔比在1958年首先制作出第一个集成电路组件，然而诺宜斯是第一个得到集成电路专利的人，并且真正使用于大量制造集成电路的材料组合（硅、二氧化硅、铝）也是诺宜斯发展出来的，他同时又是现今全世界最大的半导体公司英特尔(Intel)的共同创办人，诺宜斯在1990年过逝。

为了说明微小化的重要性与方便性，笔者先描述第一个计算机的特性(ENIAC)。

它是在1946年完成制造，含有17468个真空管，重达6万磅，体积达1万6千2百立方呎，耗电量为174千瓦。

它能在30秒完成弹道的计算，而使用计算尺需40小时。

相较于现在的科技，如今一个掌上型计算器的运算能力，早已经超越它的几仟倍了。

ENIAC在1955年就停止使用，原因是维持费用太过昂贵。

随着集成电路的发明，电子科技的微小化速率非常快速，使得电子工业突飞猛进。

然在这发展过程中，1947年晶体管的发明，亦扮演相当重要的角色。

相较于真空管，晶体管具有体积小、省电、耐用的优点，也因此晶体管的三个发明者在1956年共同得到了诺贝尔奖。

任职于英特尔公司的摩尔(Moore)提出了一个经验定律：每隔18－24个月，每单位面积的芯片所包含的电子组件数目会增加一倍。

就以微处器芯片来说，从1971年每个芯片含有2300个电子晶体管数，1982年的134000个，1993年的3100000个，到2000年的8000000个，可说进展神速。

笔者再介绍另一个重要的集成电路芯片：半导体内存。

从1970年的1kb，1986年的1Mb，到2000年的1Gb，在这三十年中，内存的容量增加了一百万倍（如图六所示），而内存中最重要的组件，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其闸极的宽度也从15微米一路降到0.18微米。