半導(dǎo)體材料的應(yīng)用與發(fā)展史

半導(dǎo)體材料作為現(xiàn)代信息和新能源技術(shù)的基礎(chǔ)受到人們的廣泛關(guān)注嗎。它的發(fā)展和應(yīng)用帶給人們福音，尤其是在通信、高速計(jì)算、大容量信息處理、可再生清潔能源、空間防御、電子對(duì)抗以及武器裝備的微型化、智能化等等這些對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和國家安全至關(guān)重要的領(lǐng)域出現(xiàn)了巨大的進(jìn)步，受到了人們的歡迎和重視。

一、半導(dǎo)體的概念

物質(zhì)存在的形式是多種多樣的，有固體、液體、氣體、離子體等。人們通常把導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性差的材料，如陶瓷、金剛石、人工晶體、琥珀和玻璃等成為絕緣體。而導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性都比較好的材料，如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等金屬，稱為導(dǎo)體?？梢院?jiǎn)單地把介于兩者之間的，即介于到體育絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體，與金屬和絕緣體相比，半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的。直到20世紀(jì)30年代，當(dāng)材料的提純技術(shù)改進(jìn)以后，半導(dǎo)體的存在才真正被學(xué)術(shù)界認(rèn)可。

二、半導(dǎo)體的發(fā)展

半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)可以追溯到19世紀(jì)。1833年英國法拉第最先發(fā)現(xiàn)了硫化銀材料的電阻隨著溫度的上升而降低，與金屬的電阻隨著溫度的上升而增加的現(xiàn)象相反，從而發(fā)現(xiàn)了這種半導(dǎo)體特有的導(dǎo)電現(xiàn)象，不久以后，1893年，法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形式的結(jié)在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)。1873年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)了硒晶體材料的光電導(dǎo)現(xiàn)象。1874年德國的布勞恩觀察到硫化鉛與金屬接觸時(shí)的電導(dǎo)與外加的電場(chǎng)方向有關(guān);如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)通了，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)。同年，出生在德國的英國物理學(xué)家舒斯特有發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。上述半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng)，雖然在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了。但是半導(dǎo)體這個(gè)名詞大約到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。

20世紀(jì)初期，盡管人們對(duì)半導(dǎo)體認(rèn)識(shí)比較少，但是對(duì)半導(dǎo)體材料的應(yīng)用研究還是比較活躍的。20世紀(jì)20年代，固體物理和量子力學(xué)的發(fā)展以及能帶論的不斷完善，使半導(dǎo)體材料中的電子態(tài)和電子輸運(yùn)過程的研究更加深入，對(duì)半導(dǎo)體材料中的結(jié)構(gòu)性能、雜質(zhì)和缺陷行為有了更深刻的認(rèn)識(shí)，提高半導(dǎo)體晶體材料的完整性和純度的研究。20世紀(jì)50年代，為了改善晶體管特性，提高其穩(wěn)定性，半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)得到了迅速發(fā)展。盡管硅在微電子技術(shù)應(yīng)用方面取得了巨大成功，但是硅材料由于受間接帶隙的制約，在硅基發(fā)光器件的研究方面進(jìn)展緩慢。隨著半導(dǎo)體超晶體格概念的提出，以及分子束外延。金屬有機(jī)氣相外延和化學(xué)束外延等先進(jìn)外延生長技術(shù)的進(jìn)步，成功的生長出一系列的晶態(tài)、非晶態(tài)薄層、超薄層微結(jié)構(gòu)材料，這不僅推動(dòng)了半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)與制造從過去的所謂“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”為基于量子效應(yīng)的新一代器件制造與應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)80年代開始，隨著掃描隧道顯微術(shù)和原子力顯微鏡技術(shù)的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，納米科學(xué)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，使人們?cè)谠?、分子和納米尺度的水平上操控。制造具有全新功能的材料與器件，于是以碳60、碳納米管為代表的納米材料以及半導(dǎo)體量子點(diǎn)、量子線材料及其半導(dǎo)體量子器件的研究稱為材料科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，在國際上掀起了納米科技的研究高潮，可以預(yù)料，基于量子力學(xué)原理的新一代半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料、器件、電路和系統(tǒng)將引領(lǐng)人類進(jìn)入到“奇妙”的量子時(shí)代，并將徹底改變?nèi)祟惤?jīng)濟(jì)生活方式。

隨著信息載體從電子向光電子和光子轉(zhuǎn)換步伐的加快，半導(dǎo)體材料也經(jīng)歷了有三維體材料到薄層、兩位超薄層微結(jié)構(gòu)材料，并正向集材料、器件、電路為一體的功能系統(tǒng)集成芯片材料，以為量子線和零維量子點(diǎn)材料(納米結(jié)構(gòu)材料)方向發(fā)展;從材料體系來看出，硅和硅基材料作為當(dāng)代微電子技術(shù)的基礎(chǔ)在21世紀(jì)中葉之前不會(huì)改變外，化合物半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料以其優(yōu)異的光電性質(zhì)在高速、低功耗、低噪聲器件和電路，特別是光電子器件、光電集成和光子集成等方面發(fā)揮越來越重要的作用，有機(jī)半導(dǎo)體發(fā)光材料因其低廉的成本和良好的柔性，以全色高亮度發(fā)光材料研究的更重要發(fā)展方向，預(yù)計(jì)會(huì)在新一代平板顯示材料中占有一席之地。

航空航天以及國防建設(shè)的要求推動(dòng)了寬帶隙、高溫微電子材料中袁洪無愛激光材料的發(fā)展，探索低維結(jié)構(gòu)材料的量子效應(yīng)及其在未來納米電子學(xué)和納米光學(xué)方面的應(yīng)用，特別是基于單光子光源的量子通信技術(shù)，基于固態(tài)量子比特的量子計(jì)算和無機(jī)/有機(jī)/生命體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料與器件的發(fā)展應(yīng)用，已成為目前材料科學(xué)最活躍的極有可能出發(fā)新的技術(shù)革命，從而徹底改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活方式。如何避免和消除大失配一直結(jié)構(gòu)材料體系在界面處存在大量的位錯(cuò)和缺陷，是目前材料制備中迫切需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一，它的解決將為材料科學(xué)工作者提供一個(gè)廣闊的創(chuàng)新空間。半導(dǎo)體材料是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體材料和器件也將隨之發(fā)展，永無止境。

石墨烯和碳納米管的問世引起了全世界的研究所熱潮，作為新一代新材料受到了人們關(guān)注特別是由于其具有良好的導(dǎo)電性和高速的電子遷移特性，被看好在微電子技術(shù)和光電子技術(shù)領(lǐng)域有重大應(yīng)用價(jià)值。石墨烯是一種二維碳原子晶體。石墨烯的厚度很薄，但是它的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，這一發(fā)現(xiàn)在科學(xué)界引起了巨大的轟動(dòng)。石墨烯是六邊形的，它的π電子是共軛的，但不像石墨一樣共軛的。 它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅(jiān)硬;作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。石墨烯在原子尺度上結(jié)構(gòu)非常特殊，必須用相對(duì)論量子物理學(xué)才能描繪。 石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。

碳納米管是在用電弧法制備C60時(shí)發(fā)現(xiàn)的。隨后，確認(rèn)了碳納米管的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了碳納米管的許多奇特的性質(zhì)，使得碳納米管成為新的一維納米材料的研究熱點(diǎn)。碳納米管是由類似石墨結(jié)構(gòu)的六邊形網(wǎng)格卷繞而成的、中空的“微管”,分為單層管和多層管。多層管由若干個(gè)層間距約為0.34納米的同軸圓柱面套構(gòu)而成。碳納米管的徑向尺寸較小，管的外徑一般在幾納米到幾十納米;管的內(nèi)徑更小，有的只有1納米左右。而碳納米管的長度一般在微米量級(jí)，相對(duì)其直徑而言是比較長的。因此，碳納米管被認(rèn)為是一種典型的一維納米材料。對(duì)碳納米管的性能，特別是電學(xué)性能和力學(xué)性能的研究，已有許多理論計(jì)算結(jié)果。但是由于多層碳納米管結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，大多數(shù)理論計(jì)算都是以單層碳納米管為研究對(duì)象來

進(jìn)行的。雖然大量的理論計(jì)算表明,碳納米管具有電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等方面的許多奇特性質(zhì)，但從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證這些特性卻十分困難。這主要是因?yàn)樘技{米管的尺寸太小，難以用常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。盡管困難重重，實(shí)驗(yàn)研究仍然取得了許多很有價(jià)值的成果。碳納米管的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。就其導(dǎo)電性而言，碳納米管可以是金屬性的，也可以是半導(dǎo)體性的，甚至在同一根碳納米管上的不同部位，由于結(jié)構(gòu)的變化，也可以呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性。此外，電子在碳納米管的徑向運(yùn)動(dòng)受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限域效應(yīng);而電子在軸向的運(yùn)動(dòng)不受任何限制。因此，可以認(rèn)為碳納米管是一維量子導(dǎo)線。作為典型的一維量子輸運(yùn)材料，金屬性的碳納米管在低溫下表現(xiàn)出典型的庫侖阻塞效應(yīng)。當(dāng)外電子注入碳納米管這一微小的電容器如果電容足夠小，只要注入1個(gè)電子就會(huì)產(chǎn)生足夠高的反向電壓使電路阻斷。當(dāng)被注入的電子穿過碳納米管后，反向阻斷電壓隨之消失，又可以繼續(xù)注入電子了。 由于社會(huì)和科技發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)在我們生活中越來越廣泛。而半導(dǎo)體材料的應(yīng)用和發(fā)展給國家經(jīng)濟(jì)和國家安全至關(guān)重要的領(lǐng)域帶來了巨大好處，引起新的飛躍。特別是在高溫微電子材料中紅外激光材料的發(fā)展，探索低維結(jié)構(gòu)材料的量子效應(yīng)及其在未來納米電子學(xué)和納米光學(xué)方面的應(yīng)用，特別是基于單光子光源的量子通信技術(shù)，基于固態(tài)量子比特的量子計(jì)算和復(fù)合結(jié)構(gòu)材料與器件的發(fā)展應(yīng)用，已成為目前材料科學(xué)最活躍的極有可能出發(fā)新的技術(shù)革命，從而徹底改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活方式。