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(lèi)社會(huì )正步入一個(gè)高度信息化、自動(dòng)化的知識經(jīng)濟新時(shí)代。信息產(chǎn)業(yè)與能源、交通被列為現代化社會(huì )的三要素，成為當今國際間綜合國力競爭的重要基礎。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(huì )現代化水平的重要標志。
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(huì )生產(chǎn)力發(fā)展的推動(dòng)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)的基礎建立于1949年肖克萊提出的半導體P—N結結構與理論，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(wèn)世，而1959年MOS型表面晶體管的提出與實(shí)現又使器件的功耗大幅度降低，使超大規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(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)�？梢哉f(shuō)，微電子芯片已成為當今電腦產(chǎn)業(yè)的食糧，隨著(zhù)邏輯門(mén)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(gè)芯片上實(shí)現一部電腦運作的復雜功能已成為現實(shí)。然而微電子技術(shù)也有它的局限性，在極大規模微電子集成芯片中，器件尺寸的線(xiàn)度已縮小到深亞微米（100nm）級，接近電子波長(cháng)的量級，作為信息載體的電子流的宏觀(guān)集體效應將被電子波行為的體現所替代，因此企望突破“納秒”響應的門(mén)檻遇到了困難。
光電子技術(shù)的發(fā)展始于1962年砷化鎵半導體激光二極管的問(wèn)世。30多年來(lái)，其主要的生長(cháng)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(gè)重要階段，使目前半導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；連續工作器件的壽命從幾小時(shí)增長(cháng)到100萬(wàn)小時(shí)；單管連續輸出功率從1mW提高到10W以上；發(fā)射波長(cháng)已從近紅外拓展到近紫外波段等。這些重大的進(jìn)展與成就已成功地應用于信息工程領(lǐng)域的各重要方面，如光通信工作、光盤(pán)存儲系統、光泵浦技術(shù)和激光制導等方面。皮（10—12）焦耳量級的極低功耗光邏輯開(kāi)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模集成面陣無(wú)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(zhù)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)，光波傳輸的時(shí)延幾乎可以忽略不計，加上它不存在電磁串擾問(wèn)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，使其運行速度達到邏輯門(mén)響應的極限（ps）量級，至少可以使運算速率再提高3個(gè)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(shí)現。自然，有實(shí)用價(jià)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的.mW以下）頻響要很快（大于1GHz），使用壽命要很長(cháng)（0萬(wàn)小時(shí)以上）要豎直腔面發(fā)射，波長(cháng)落在可見(jiàn)光波段（便于對準）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，導帶底與價(jià)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(wàn)分之一。雖然人們一直在尋求一種在硅基片上生長(cháng)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(lái)考慮，還不能認為是一種理想的可行方案。突破能帶結構的局限，探索高速響應、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)現了高效率可見(jiàn)光的發(fā)射，引起了科技界的轟動(dòng)。通過(guò)多孔硅高效率發(fā)光的線(xiàn)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(zhù)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(lái)，融成一體形成有更高性能價(jià)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上的。固體能帶論指出，由于周期排列的庫侖勢場(chǎng)的耦合，半導體中的價(jià)電子在一定程度上呈現某種集體行為，然而在能量分布上又存在電子波的相干禁戒特性，因此半導體中的電子布居狀態(tài)群分為導帶與價(jià)帶，二者又以中間的禁帶（帶隙）分隔開(kāi)。從半導體的能帶理論出發(fā)引出了非常重要的空穴載體的概念，半導體中電子或光電子效應最直接地由最低能量的導帶底和價(jià)帶頂的電子、空穴行為所決定，由此提出的P—N結及其理論已成為當今微電子發(fā)展的物理依據。半導體能帶結構的具體形態(tài)與晶格原子的外層電子行為及晶體結構的對稱(chēng)性和價(jià)鍵特性密切相關(guān)，不同的材料（如Si，Ge與GaAs，InP）能帶結構各異，除了帶隙寬度外，最重要的是導帶與價(jià)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(chēng)為直接帶結構，理論預言此結構電子一空穴的帶間復合幾率很大，并以輻射光子的形態(tài)釋放能量，由此引導人們研制成了高效率的LED和半導體激光器，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半導體則屬間接帶結構，受到k空間動(dòng)量守恒原則的制約，帶間輻射躍遷幾率比前者低十萬(wàn)倍，因而長(cháng)期以來(lái)未能成為光電子領(lǐng)域發(fā)展的主導。
社會(huì )的不斷需求推動(dòng)著(zhù)微電子、光電子技術(shù)的發(fā)展，如果沒(méi)有在固體能帶論方面長(cháng)期的基礎性研究工作的積累，那就不可能以如此迅猛的速度獲得如此巨大的成就基礎性研究工作的長(cháng)期積累，為社會(huì )提供了一個(gè)豐富的知識庫使人們能夠根據需要從中提取，予以運用。早在30年代就開(kāi)始建立起來(lái)的固體能帶論，經(jīng)歷了相當一段時(shí)間后，終于成為現代微電子、光電子高技術(shù)發(fā)展的基礎。50年代后期，科學(xué)家和工程師們一方面繼續深入揭示半導體內部的電子能態(tài)結構及其運動(dòng)規模；另一方面，則加快運用已占有的基礎性研究成就，日新月異地開(kāi)發(fā)出一代代新穎的半導體微電子、光電子器件。由此可見(jiàn)，基礎性研究的積累關(guān)系到高新技術(shù)的發(fā)展能否應運而生。在當代國際科技產(chǎn)品激烈競爭的年代，誰(shuí)占有更豐富的基礎財富，誰(shuí)就有更多的途徑，用更短的時(shí)間、更好的技術(shù)去開(kāi)發(fā)出競爭力更強的新型產(chǎn)品來(lái)。
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。當了解到砷化鎵、磷化銦的能帶結構有比硅高得多的發(fā)光效率，并且因為它們的導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(huì )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(kāi)展化合物半導體材料的基礎性研究工作。如果沒(méi)有這種有預見(jiàn)性的早期投入，1962年就不可能出現半導體激光器，也不會(huì )有今天GaAs微波集成電路的成就。
隨著(zhù)應用技術(shù)的發(fā)展和基礎研究工作的不斷深入，人們已經(jīng)不再滿(mǎn)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各種性能優(yōu)異的新材料。為此，必須采用原子層生長(cháng)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運而生，成為今天開(kāi)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(cháng)技術(shù)發(fā)明之后，材料科學(xué)工程學(xué)家們就著(zhù)手按自己的意圖設計生長(cháng)具有新穎功能的人工結構材料，比如將兩種（或多種）不同晶格常數、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(cháng)在一起，形成一種具有人構周期的新材料，即所謂量子阱超晶格材料，統稱(chēng)微結構材料。這種人構材料中的能帶結構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構將被融合、優(yōu)化、改造，從而導致了體內電子、光子、聲子的運動(dòng)及其相關(guān)作用可按照人們的主觀(guān)意愿分別得到增強優(yōu)化。于是，人們就可以運用固體內部電子微觀(guān)運動(dòng)的規律來(lái)進(jìn)行新型器件的設計與研制，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(chēng)為能帶工程。正是由于能帶工程的開(kāi)發(fā)運用，導致了量子光電子學(xué)和納米電子學(xué)的誕生，這將使信息技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新階段。
基礎研究的貢獻體現在它對物質(zhì)內部運動(dòng)規律及其屬性的揭示，如果把科學(xué)技術(shù)比作一棵大樹(shù)，那么基礎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(jiàn)，但它卻是大樹(shù)的根基。光電子、微電子技術(shù)的發(fā)展生動(dòng)有力地說(shuō)明了這點(diǎn)。
信息光電子學(xué)的發(fā)展才剛剛開(kāi)始，當前，人們只是比較充分地運用了半導體內部的電子工程，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(diǎn)生長(cháng)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(cháng)技術(shù)的成熟，又使人們能夠深入微觀(guān)世界的王國，運用單原子、單光子波函數的量子特性，這將可能創(chuàng )造出以量子態(tài)運作為基礎的全新一代的微光電子芯片，實(shí)現微電子與光電子的統一，它將引發(fā)未來(lái)信息高科技一場(chǎng)意義深遠的革命。這有待于從事基礎研究和應用開(kāi)發(fā)的科學(xué)家和工程師們繼續探索與開(kāi)拓，更需要政府部門(mén)領(lǐng)導者的理解與支持。
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