半导体物理发展历程

一、半导体物理的发展历程

半导体物理是凝聚态物理领域中的一个活跃分支,也是半导体科学技术发展的重要物理基础。半个多世纪以来,半导体物理自身不仅在晶态半导体、非晶态半导体、半导体表面、半导体超晶格、纳米半导体和有机半导体等领域中都获得了令世人瞩目的重大进展,而且它还是一系列新材料、新结构、新效应、新器件和新工艺产生的源泉,极大地丰富了凝聚态物理的研究内容和有力地促进了半导体科学技术的迅速发展。温故而知新。今天,我们重新认识它的发展规律与特点,对于把握半导体物理在21世纪的发展走向具有直接的现实指导意义。

（一）半导体物理早期发展阶段

20世纪30年代初，人们将量子理论运用到晶体中来解释其中的电子态。1928年布洛赫提出著名的布洛赫定理，同时发展完善固体的能带理论。1931年威尔逊运用能带理论给出区分导体、半导体与绝缘体的微观判据，由此奠定半导体物理理论基础。到了20世纪40年代，贝尔实验室开始积极进行半导体研究，且组织一批杰出的科学家工作在科学前沿。1947年12月，布拉顿和巴丁宣布点接触晶体管试制的成功。1948年6月，肖克利研制结接触晶体管。这三位科学家做出杰出贡献，使得他们共同获得1956年诺贝尔物理学奖。

晶体管的发明深刻改变人类技术发展的进程与面貌，也是社会工业化发展的必然结果。早在20世纪30年代，生产电子设备的企业希望有一种电子器件能有电子管的功能，但没有电子管里的灯丝，这因为加热灯丝不但消耗能量且要加热时间，这会延长工作启动过程。因此，贝尔实验室研究人员依据半导体整流和检波作用特点，考虑研究半导体能取代电子管的可能性，从而提出关于半导体三极管设想。直到1947，他们经反复实验研制了一种能够代替电子管的固体放大器件，它主要由半导体和两根金属丝进行点接触构成，称之为点接触晶体管。之后，贝尔实验室的结型晶体管与场效应晶体管研究工作成功。20世纪50年代，晶体管重要的应用价值使半导体物理研究蓬勃地展开。到了20世纪60年代，半导体物理发展达到成熟和推广时期，在此基础上迎来微处理器与集成电路的发明，这为信息时代到来铺平道路。1958年，安德森提出局域态理论，开创无序系统研究新局面，这也为非晶态半导体物理奠定基础。1967年，Grove等人对半导体表面物理研究已取得重要进展，并使得Si-MOS集成电路稳定性能得以提高。1969年，江崎与朱兆祥提出通过人工调制能带方式制备半导体超晶格。正是在半导体超晶格研究中，冯·克利青发现整数量子霍尔效应。在1982年，崔琦等发现了分数量子霍尔效应，这一系列物理现象的发现正揭开现代半导体物理发展序幕。

（二）半导体超晶格物理的发展

建立半导体超晶格物理是半导体的能带理论发展的必然。之后，人们对各种规则晶体材料性能有相当认识，从而开创以能带理论作为基础的半导体物理体系，也借助其来解释出现的一系列现象。1969年与1976年的分子束外延和金属有机物化学汽相沉积薄膜生长技术正为半导体科学带来一场革命。随微加工技术的逐步发展，加之超净工作条件的建立，实现了晶体的低速率生长，也使人们能创造高质量的异质结构，同时为新型半导体器件设计及应用奠定技术基础。1969年，江崎和朱兆祥第一次提出“超晶格”概念，这里“超”的意思是在天然的周

期性外附加人工周期性。1971年，卓以和利用分子束外延技术生长出第一个超晶格材料。从此拉开了超晶格、量子点、量子线和量子阱等等低维半导体材料研究序幕。

（三）半导体物理的发展特点与沿革方向

1.半导体物理的发展序幕—晶态半导体物理

如果将半导体物理的发展比喻为一台威武雄壮的话剧,那么开场剧目则是关于具有完整周期结构的晶态半导体的研究。而作为这一研究的两大理论基石则是于20世纪30年代创建的固体能带理论和50年代初期建立的晶格动力学理论。众所周知,1947年晶体管的发明就是建立在以量子力学体系为基础的固体能带理论上的。可以说,固态电子理论的建立,不仅使人们能够成功地用导带、价带和禁带的概念将金属、半导体和绝缘体分开,从而对晶态半导体结构的认识有了一个新的飞跃,而且还使我们能够深刻理解、牢固掌握和灵活运用半导体的各种物性与本质,并为设计和制备各种半导体器件及其集成电路奠定了重要物理基础。如果说固体能带理论是在状态空间中描述电子的分布特点与能量状态,那么晶格动力学理论则是在实空间中,从原子微观振动的概念出发,深刻揭示晶格原子之间的相互作用,即晶体在温度场中的行为和规律的理论。它在解释一系列晶体,当然也包括晶态半导体的热学性质、力学性质、弹性性质、介电性质和光学性质等方面都获得了巨大成功。由玻恩与黄昆二人于1954年完成的《晶格动力学理论》这部权威性经典专著,对这些内容作了精辟的论述。

有效质量理论和“空穴”概念的提出,是晶态半导体物理研究中的另一个重大发展。引进有效质量的意义有两个方面,一是它概括了半导体内部势场的作用,使得在解决半导体中的电子处于外力作用下的运动规律时,可以不涉及到半导体内部势场的作用。另一方面,它定量地描述了半导体导带和价带边附近细致的能带结构,给出了研究半导体中浅施主和浅受主能级、激子能级和磁能级等的理论方法,从而促进了当时的回旋共振、磁光吸收、自由载流子吸收和激子光谱等实验研究。而“空穴”概念的提出,使得半导体中可以用电子和空穴这两种载流子来描述半导体的导电特性。正是由于这两种载流子的作用,使得晶态半导体呈现出许多异彩纷呈的特性。掺杂与缺陷是晶态半导体物理研究中的一个不可忽略的重要侧面。通过掺入不同种类的杂质可以改变其导电类型,而通过控制掺入杂质数量可以显著改变其导电能力,这是晶态半导体的一个重要物理属性。以P-n结为基础的Si平面型双极晶体管和MOS场效应晶体管等半导体器件及其集成电路都是以此为有源区制作的。此外,在实际的晶态半导体中总是存在着一定数量的各种缺陷,如点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷等,它们在决定晶态半导体的许多物理性质方面起着重要的作用,特别是在控制晶态半导体中的载流子输运过程和光学特性方面尤为突出。因此,在整个20世纪50～60年代中,人们从理论和实验等方面对各种缺陷的结构性质、热力学性质、动力学性质、电子性质以及对半导体其它物理性质的影响,都进行了富有成效的系统研究。1957年由日本物理学家Esaki发现的隧道效应,是晶态半导体物理发展史上的一个科学里程碑,它开辟了研究半导体中载流子隧道贯穿输运特性的新领域。隧道效应的发现对半导体科学技术发展所产生的贡献在于,一是它把具有特殊掺杂分布P-n结二极管的正向电流-电压特性,用量子力学的隧道效应从理论上作出了精辟说明。二是它为1969年前后由Esaki及其合作者首次提出“半导体超晶格”这一新概念,以及其后