(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(Physical

Review 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。