微電子、光電子高技術的發展源於 固體能帶的基論文

人類社會正步入一個高度資訊化、自動化的知識經濟新時代。資訊產業與能源、交通被列爲現代化社會的三要素，成爲當今國際間綜合國力競爭的重要基礎。資訊的超大容量傳送、超快速度處理及超高密度的記憶存儲已成爲衡量社會現代化水平的重要標誌。

微電子與光電子技術是資訊技術的兩大支柱，它對社會生產力發展的推動和文明生活的提高與豐富已日益被人們切身感受到。固體電子學的基礎建立於1949年肖克萊提出的半導體P—N結結構與理論，微電子技術的發展則起始於60年代初平面型晶體管的問世，而1959年MOS型表面晶體管的提出與實現又使器件的功耗大幅度降低，使超大規模集成電路成爲可能。目前最高的集成度研究水平已邁向1000M位，256M位芯片已開始進入市場。可以說，微電子芯片已成爲當今電腦產業的食糧，隨着邏輯門電路集成度的提高，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，在一個芯片上實現一部電腦運作的複雜功能已成爲現實。然而微電子技術也有它的侷限性，在極大規模微電子集成芯片中，器件尺寸的線度已縮小到深亞微米（100nm）級，接近電子波長的量級，作爲資訊載體的電子流的宏觀集體效應將被電子波行爲的體現所替代，因此企望突破“納秒”響應的門檻遇到了困難。

光電子技術的發展始於1962年砷化鎵半導體激光二極管的問世。30多年來，其主要的生長工藝經歷了同質擴散、同質外延、異質外延、超薄層外延和單原子層外延等幾個重要階段，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增長到100萬小時；單管連續輸出功率從1mW提高到10W以上；發射波長已從近紅外拓展到近紫外波段等。這些重大的進展與成就已成功地應用於資訊工程領域的各重要方面，如光通信工作、光盤存儲系統、光泵浦技術和激光制導等方面。皮（10—12）焦耳量級的極低功耗光邏輯開關、微米直徑的垂直腔面發射的微腔激光器及其研製出的大規模集成面陣無疑將對二維光資訊處理、光神經網絡和光邏輯運算技術的發展起着關鍵的作用。

高速電子芯片的光互連是一項爲人們極爲關注的前沿技術，光波傳輸的時延幾乎可以忽略不計，加上它不存在電磁串擾問題，因而可以解決超高速電子計算機芯片間資訊傳輸中的瓶頸阻塞效應，使其執行速度達到邏輯門響應的極限（ps）量級，至少可以使運算速率再提高3個量級；再者，利用全息圖像技術一路資訊可多路傳輸，將有助於並行處理技術的實現。自然，有實用價值的光互連技術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以下）頻響要很快（大於1GHz），使用壽命要很長（0萬小時以上）要豎直腔面發射，波長落在可見光波段（便於對準）並能與硅微電子芯片的製備工藝相容集成。硅是一種間接帶隙材料，導帶底與價帶頂不在k空間的同一位置，因此，發光效率僅爲砷化鎵的十萬分之一。雖然人們一直在尋求一種在硅基片上生長優質砷化鎵材料的技術途徑，但是，從技術的難度和經濟效益的角度來考慮，還不能認爲是一種理想的可行方案。突破能帶結構的侷限，探索高速響應、高發光效率的硅基發光器件，一直是人們關注的一項基礎研究課題。正因爲如此，1990年，英國的LeighCahann在從化學電解法獲得的多孔硅材料中發現了高效率可見光的發射，引起了科技界的轟動。透過多孔硅高效率發光的線索，有希望研製出一種更適於光互連技術需求的量子尺寸硅基發光器件。它意味着光電子技術將可能移入微電子芯片中，從而使資訊技術的兩大支柱攜起手來，融成一體形成有更高性能價格比的硅基光電子產業，爲資訊技術產業的發展作出歷史性的貢獻。

微電子、光電子的發展完全是建立在固體能帶論的基礎上的。固體能帶論指出，由於週期排列的庫侖勢場的耦合，半導體中的價電子在一定程度上呈現某種集體行爲，然而在能量分佈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羣分爲導帶與價帶，二者又以中間的禁帶（帶隙）分隔開。從半導體的能帶理論出發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帶頂的電子、空穴行爲所決定，由此提出的P—N結及其理論已成爲當今微電子發展的物理依據。半導體能帶結構的具體形態與晶格原子的外層電子行爲及晶體結構的對稱性和價鍵特性密切相關，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於k空間的中心位置，稱爲直接帶結構，理論預言此結構電子一空穴的帶間複合機率很大，並以輻射光子的形態釋放能量，由此引導人們研製成了高效率的LED和半導體激光器，在光電子及光子集成技術的發展中，其重要性可與微電子技術中的晶體管相比擬；而Si，Ge半導體則屬間接帶結構，受到k空間動量守恆原則的制約，帶間輻射躍遷機率比前者低十萬倍，因而長期以來未能成爲光電子領域發展的主導。

社會的不斷需求推動着微電子、光電子技術的發展，如果沒有在固體能帶論方面長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期積累，爲社會提供了一個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年代就開始建立起來的固體能帶論，經歷了相當一段時間後，終於成爲現代微電子、光電子高技術發展的基礎。50年代後期，科學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結構及其運動規模；另一方面，則加快運用已佔有的基礎性研究成就，日新月異地開發出一代代新穎的半導體微電子、光電子器件。由此可見，基礎性研究的積累關係到高新技術的發展能否應運而生。在當代國際科技產品激烈競爭的年代，誰佔有更豐富的基礎財富，誰就有更多的途徑，用更短的時間、更好的技術去開發出競爭力更強的新型產品來。

固體能帶論的建立和發展，也爲材料科學工程學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光效率，並且因爲它們的導帶底部曲率半徑比硅小，電子有效質量就小，電子遷移率就一定會比硅大得多，對發展高效率發光器件和超高速電子器件非常適宜，材料科學工程學家們從50年代起就一直致力於開展化合物半導體材料的基礎性研究工作。如果沒有這種有預見性的早期投入，1962年就不可能出現半導體激光器，也不會有今天GaAs微波集成電路的成就。

隨着應用技術的發展和基礎研究工作的不斷深入，人們已經不再滿足於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異的新材料。爲此，必須採用原子層生長工程。以分子束外延（MBE）和金屬有機化合物氣相沉積（MOCVD）爲代表的新技術就在這樣的背景下應運而生，成爲今天開拓新一代光電子、微電子高技術的決定性手段。自從原子層生長技術發明之後，材料科學工程學家們就着手按自己的意圖設計生長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週期交替生長在一起，形成一種具有人構週期的新材料，即所謂量子阱超晶格材料，統稱微結構材料。這種人構材料中的能帶結構將由新的原子週期排列順序所決定，因而天然材料的能帶結構將被融合、優化、改造，從而導致了體內電子、光子、聲子的運動及其相關作用可按照人們的主觀意願分別得到增強優化。於是，人們就可以運用固體內部電子微觀運動的規律來進行新型器件的設計與研製，超低閾值量子阱激光器和超高速彈道晶體管就是一例，人們將此稱爲能帶工程。正是由於能帶工程的開發運用，導致了量子光電子學和納米電子學的誕生，這將使資訊技術的發展進入一個新階段。

基礎研究的貢獻體現在它對物質內部運動規律及其屬性的揭示，如果把科學技術比作一棵大樹，那麼基礎研究的重要性就如同根鬚一樣，雖然它不冒出地面爲人們所見，但它卻是大樹的根基。光電子、微電子技術的發展生動有力地說明了這點。

資訊光電子學的發展纔剛剛開始，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。人工可控量子點生長和微光學諧振腔製備工藝的發展以及單原子置換生長技術的成熟，又使人們能夠深入微觀世界的王國，運用單原子、單光子波函數的量子特性，這將可能創造出以量子態運作爲基礎的全新一代的微光電子芯片，實現微電子與光電子的統一，它將引發未來資訊高科技一場意義深遠的革命。這有待於從事基礎研究和應用開發的科學家和工程師們繼續探索與開拓，更需要政府部門領導者的理解與支援。