半导体的过去、现在和未来

1. 半导体是信息化的基础

上个世纪半导体大规模集成电路、半导体激光器、以及各种半导体器件的发明，对现代信息技术革命起了至关重要的作用，引发了一场新的全球性产业革命。信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势，信息化水平已成为衡量一个国家和地区现代化的重要标志。进入21世纪，全世界都在加快信息化建设步伐。源于信息技术革命的需要，半导体物理、材料、器件将有新的更快的发展。

集成电路的尺寸将越来越小，将出现新的量子效应器件；宽禁带半导体代表了一个新的方向，将在短波长激光器、白光发光管、高频大功率器件等方面有广阔的应用；纳米电子器件有可能作为下一代的半导体微电子和光电子器件；利用单电子、单光子和自旋器件作为量子调控，将在量子计算和量子通信的实用化中起关键作用。

2. 晶体管的发明

1945年二次大战结束时，美国贝尔实验室总裁巴克莱为了适应该室从战时转向和平时期的工作需要，决定成立固体物理组，由肖克莱负责半导体物理小组，成员有巴丁、布拉顿、吉布尼、穆尔等人。肖克莱和巴丁是理论物理学家，布拉顿是实验物理学家，吉布尼是物理化学家，穆尔是电路学家，这种专业人才的搭配对于半导体物理研究和晶体管的发明是个黄金搭配，精干而高效。他们根据各自在30年代中期以后的经验和后来的考虑，从刚开始成立时，就把重点放在半导体材料硅和锗的研究上。

第二次世界大战期间，英国用雷达侦察到了德国的轰炸机。雷达的核心就是真空电子管，它能够将微弱电流放大。肖克莱早在1939年就准备制作能够将电流放大的固体器件，以便取代真空电子管。1947年12月，巴丁和布拉顿制成了世界上第一个锗点接触型三极管，具有电流放大作用。巴丁和布拉顿的结果在1948年6月发表。点接触晶体管的发明虽然揭开了晶体管大发展的序幕，但由于它的结构复杂，性能差，体积大和难以制造等缺点，没有得到工业界的推广和应用，在社会上引起的反响不够强烈。

1948年1月肖克莱在自己研究p-n结理论的基础上发明了另一种面结型晶体管，并于1948年6月取得了专利。面结型晶体管又称场效应晶体管，它是平面状的（见图3），可以通过一些平面工艺（如扩散、掩膜等）进行大规模生产。因此只有在面结型晶体管发明以后，晶体管的优越性才很好地被人认识，逐渐取代了真空电子管。由于巴丁、布拉顿和肖克莱在晶体管和结型晶体管发明上的贡献，在1956年获得了诺贝尔物理奖。作为半导体晶体管的第一个应用就是索尼公司的便携式收音机，风靡全球，赚了大钱。

3. 集成电路的发明

晶体管收音机比电子管收音机小多了，可以随身携带。但它是由晶体管、电阻、电容、磁性天线焊在一块电路板上，相互之间由导线相连。体积还比较大，装配工艺复杂。1958年美国政府设立了晶体管电路小型化基金，以便适应美国为赶超前苏联发射的第一颗人造卫星的需要。那时，德克萨斯公司的基尔比承担了这一任务，试图制造将晶体管、电阻器和电容器等包装在一起的小型化电路。1958年9月基尔比制成了世界上第一个集成电路振荡器，这一切都记载在他当天的笔记中。基尔比发明的集成电路在1959年2月取得了专利权，名称为“小型化电子电路”。

与此同时，美国加州菲切尔德（仙童）半导体公司的诺伊斯提出了用铝连接晶体管的想法。在基尔比发明集成电路5个月以后，即1959年2月，他采用霍尔尼提出的平面晶体管方法，在整个硅片上生成SiO2掩膜，应用光刻技术按模板刻成窗口和引线通路，通过窗口扩散杂质，构成基极、发射极和集电极，将金或铝蒸发，因而制成集成电路。1959年7月诺伊斯的集成电路取得了专利权，名称为“半导体器件与引线结构”。从此集成电路走上了大规模发展的新时期。

4. 太阳能电池的发明

为了人造卫星的需要，1954年皮尔森和富勒利用磷和硼的扩散技术制成了大面积的硅p-n结太阳能电池，光电转换效率达6%以上，超过了过去最好的太阳能转换效率的15倍。它的制作成本低廉，可以批量生产，因此很快得到了大规模的应用。太阳能电池的工作原理是光生伏特效应。当光照射在半导体上时，在半导体中产生电子－空穴对。如果接通外电路，就会有电流通过，这就是光生伏特效应。太阳能电池的商业应用开始于1958年，它被选用为美国第一个人造卫星Vanguard I的无线电发射机的电源。当前能源危机下，太阳能电池作为一种再生和无污染电源引起了人们极大的注意。

5. 半导体激光器的发明

半导体发光管和激光器的工作原理和太阳能电池正好相反：太阳能电池是用光产生电，而发光管、激光器则用电产生光。用电流将电子和空穴分别引入半导体的导带和价带。电子和空穴复合，产生光子。1962年美国霍尔用p-n同质结制成了第一个半导体激光器。产生激光必须满足3个条件：粒子数的反转分布、谐振腔和电流超过一定阈值。

1963年美国的克勒默和苏联的阿尔费罗夫各自独立地制成了异质结激光器，也就是在图8中，结区用一种禁带宽度小的材料，如GaAs；两边的p区和n区用另一种禁带宽度大的材料，如AlxGa1-xAs。这样，发光区域被限制在窄小结区中。因此大大提高了发光效率，降低了激光器的阈值电流。1970年苏联的约飞研究所和美国的贝尔实验室分别制成了室温下连续工作的双异质结激光器，从而使半导体激光器在光通信中得到了广泛的应用。

由于克勒默和阿尔费罗夫在发展半导体激光器方面的重要贡献，他们在2000年和集成电路发明者基尔比一起获得了诺贝尔物理奖。硅大规模集成电路和半导体激光器的发明使得世界进入了一个以微电子和光电子技术为基础的信息时代，大大促进了社会和经济的发展。

6. 分子束外延技术的发明

制造双异质结激光器的一个关键技术是分子束外延。1968年贝尔实验室的卓以和发现，在超高真空容器中通过精细控制束流的大小和时间，能够按照需要生长不同层数、不同种类的半导体材料，因而发明了分子束外延技术。装置内部处于超高真空条件下（10-10torr），蒸发炉内装有原材料元素（如Ga、As、Al等）的源。前面是可以控制的挡板，打开挡板，将被蒸发的源原子直射至加热的衬底上进行外延生长。目前用这种技术已经能做到单原子层的生长。装置周围是一些检测仪器，用以监控生长过程。