半導體材料的過去、現在和將來（４）

寬帶隙半導體材料

一般認為禁帶寬度 【注】大于2.7電子伏（eV）的半導體材料稱為寬禁帶半導體材料，硅的禁帶寬度為1.12 eV，砷化鎵為1.42 eV，它們都不是寬禁帶半導體材料；氮化鎵、碳化硅和氧化鋅等的禁帶寬度都在3 eV以上，它們被稱為寬禁帶半導體材料.寬禁帶半導體器件的工作溫度可以很高，比如說碳化硅可以工作到600 ℃；金剛石如果做成半導體，溫度可以更高.半導體器件可用在石油鉆探頭上收集相關需要的信息，在航空、航天等惡劣環境中也有重要應用.現在的廣播電臺、電視臺，唯一的大功率發射管還是電子管，沒有被半導體器件代替.這種電子管的壽命只有兩三千小時，體積大，且非常耗電，如果用碳化硅的高功率發射器件，體積至少可以減小到原來的幾十分之一或百分之一，壽命也會大大增加．所以高溫寬帶隙半導體材料是非常重要的新型半導體材料.

現在的問題是高溫寬帶隙半導體材料非常難生長，硅上長硅，砷化鎵上長砷化鎵，它可以長得很好.但是高溫寬帶隙半導體材料大多都沒有塊體材料，只得用其他材料做襯底去生長.比如說氮化鎵是在藍寶石襯底上生長的．藍寶石跟氮化鎵的熱膨脹系數和晶格常數相差很大，長出來的外延層的缺陷很多，這是最大的問題和難關.另外這種材料的加工、刻蝕和P型或N型摻雜也都比較困難.目前科學家正在著手解決大失配材料體系高質量外延層的生長問題.這個問題一旦解決，就可以為我們提供一個非常廣闊的發現新材料的空間.

注：對于孤立的原子，原子核外的電子是按一定軌道做圓周運動的，不同軌道具有不同的確定能量，軌道之間的能量狀態是不存在的，也就是說這些能量狀態是禁止的.當原子組成晶體時，相同軌道，特別是外層運動的電子之間相互作用，使單一能級變成一個帶，稱之為能帶.被電子充滿的能帶為價帶，這時價帶中的電子不能自由運動．價帶之上緊鄰的未被電子充滿或空著的帶稱導帶，在外場作用下電子可以自由運動.價帶頂和導電底之間的能量間隙稱禁帶，其中的能量狀態是被禁止的．

低維（納米）半導體材料

實際上這里說的低維半導體材料就是納米材料，之所以不愿意使用這個詞，主要是不想與現在熱炒的所謂納米襯衣、納米啤酒瓶、納米洗衣機等混為一談．從本質上看，發展納米科學技術的重要目的之一，就是人們能在原子、分子或者納米的尺度水平上來控制和制造功能強大、性能優越的納米電子、光電子器件和電路，以及納米生物傳感器件等，以造福人類.可以預料，納米科學技術的發展和應用不僅將徹底改變人們的生產和生活方式，也必將改變著社會政治格局和戰爭的對抗形式.這也是人們對發展納米半導體技術非常重視的原因.

電子在塊體材料里，在三個維度（長、寬、高）的方向上都可以自由運動.但當材料的特征尺寸在一個維度上比電子的平均自由程相比擬或更小的時候，電子在這個方向上的運動會受到限制，電子的能量不再是連續的，而是量子化的，我們稱這種材料為超晶格、量子阱材料.量子線材料就是電子只能沿著量子線方向自由運動，另外兩個方向上受到限制；量子點材料是指在材料三個維度上的尺寸都要比電子的平均自由程小，電子在三個方向上都不能自由運動，能量在三個方向上都是量子化的.

由于上述的原因，電子的態密度函數也發生了變化，塊體材料的電子的態密度函數是拋物線形，電子在其中可以自由運動；如果是量子點材料，它的態密度函數就像是單個的分子、原子那樣，完全是孤立的?啄函數分布，基于這個特點，可制造功能強大的量子器件.

現在的大規模集成電路的存儲器是靠大量電子的充放電實現的.大量電子的流動需要消耗很多能量，導致芯片發熱，從而限制了集成度．如果采用單個電子或幾個電子做成的存儲器，不但集成度可以提高，而且功耗問題也可以解決.目前的激光器效率不高，因為激光器的波長隨著溫度變化，一般來說隨著溫度增高波長要紅移，所以現在光纖通信用的激光器都要控制溫度.如果能用量子點激光器代替現有的量子阱激光器，這些問題就可迎刃而解了.

量子級聯激光器是一個單極器件，是近十多年才發展起來的一種新型中、遠紅外光源，在自由空間通信、紅外對抗和遙控化學傳感等方面有著重要應用前景.它對MBE制備工藝要求很高，整個器件結構幾百到上千層，每層的厚度都要控制在零點幾個納米的精度．我國在此領域做出了國際先進水平的成果．又如多有源區帶間量子隧穿輸運和光耦合量子阱激光器，它具有量子效率高、功率大和光束質量好的特點，我國已有很好的研究基礎，在量子點（線）材料和量子點激光器等研究方面，我國也取得了令國際同行矚目的成績.

小結

從整個半導體材料和信息技術發展來看，目前的信息載體主要是電子，即電子的電荷（電流）.電子還有一個屬性，電子的自旋，我們尚未用上.如果我們再把電子的自旋用上，就增加了一個自由度，這也是人們目前研究的方向之一.我們從電子材料硅、鍺發展到的光電子材料GaAs和InP，GaN等，就是電子跟光子結合一起使用的材料．光電子材料比電子材料的功能更強大．再下一代的材料很可能是光子材料.我們現在只用了光子的振幅，而光的偏振和光的位相應用還未開發出來，所以這給我們研究者留下了非常廣闊的天地.從材料的發展來看，從塊體材料向薄層、超薄層，低維（納米）結構材料和功能芯片材料方向發展．功能芯片可能是有機跟無機的結合，也可以是生命與有機和無機的結合，這也為我們提供了一個非常廣闊的創新的天地，相信人們將來能在這個領域大有作為.

責任編輯 程 哲