半导体物理发展历程 一、半导体物理的发展历程 半导体物理是凝聚态物理领域中的一个活跃分支,也是半导体科学技术 发展的重要物理基础半个多世纪以来,半导体物理自身不仅在晶态半导体、非 晶态半导体、半导体表面、半导体超晶格、纳米半导体和有机半导体等领域中 都获得了令世人瞩目的重大进展,而且它还是一系列新材料、新结构、新效应、 新器件和新工艺产生的源泉,极大地丰富了凝聚态物理的研究内容和有力地促进 了半导体科学技术的迅速发展温故而知新今天,我们重新认识它的发展规律 与特点 ,对于把握半导体物理在21 世纪的发展走向具有直接的现实指导意义 （一）半导体物理早期发展阶段 20 世纪 30 年代初，人们将量子理论运用到晶体中来解释其中的电子态 1928 年布洛赫提出著名的布洛赫定理，同时发展完善固体的能带理论1931 年威尔逊运用能带理论给出区分导体、半导体与绝缘体的微观判据，由此奠定 半导体物理理论基础到了20 世纪 40 年代，贝尔实验室开始积极进行半导体 研究，且组织一批杰出的科学家工作在科学前沿1947 年 12 月，布拉顿和巴 丁宣布点接触晶体管试制的成功1948 年 6 月，肖克利研制结接触晶体管。
这 三位科学家做出杰出贡献，使得他们共同获得1956 年诺贝尔物理学奖 晶体管 的发明深刻改变人类技术发展的进程与面貌，也是社会工业化发展 的必然结果早在20 世纪 30 年代，生产电子设备的企业希望有一种电子器件 能有电子管 的功能，但没有电子管里的灯丝，这因为加热灯丝不但消耗能量且 要加热时间，这会延长工作启动过程因此，贝尔实验室研究人员依据半导体 整流和检波作用特点，考虑研究半导体能取代电子管的可能性，从而提出关于 半导体三极管设想直到1947，他们经反复实验研制了一种能够代替电子管的 固体放大器件，它主要由半导体和两根金属丝进行点接触构成，称之为点接触 晶体管之后，贝尔实验室的结型晶体管与场效应晶体管研究工作成功20 世 纪 50 年代，晶体管重要的应用价值使半导体物理研究蓬勃地展开到了20 世 纪 60 年代，半导体物理发展达到成熟和推广时期，在此基础上迎来微处理器与 集成电路 的发明，这为信息时代到来铺平道路1958 年，安德森提出局域态理 论，开创无序系统研究新局面，这也为非晶态半导体物理奠定基础1967 年， Grove 等人对半导体表面物理研究已取得重要进展，并使得Si-MOS 集成电路 稳定性能得以提高。
1969 年，江崎与朱兆祥提出通过人工调制能带方式制备半 导体超晶格正是在半导体超晶格研究中，冯 克利青发现整数量子霍尔效应 在 1982 年，崔琦等发现了分数量子霍尔效应，这一系列物理现象的发现正揭开 现代半导体物理发展序幕 （二）半导体超晶格物理的发展 建立半导体超晶格物理是半导体的能带理论发展的必然之后，人们对各 种规则 晶体材料性能有相当认识，从而开创以能带理论作为基础的半导体物理 体系，也借助其来解释出现的一系列现象1969 年与 1976 年的分子束外延和 金属有机物化学汽相沉积薄膜生长技术正为半导体科学带来一场革命随微加 工技术的逐步发展，加之超净工作条件的建立，实现了晶体的低速率生长，也 使人们能创造高质量的异质结构，同时为新型半导体器件 设计及应用奠定技术 基础 1969 年，江崎和朱兆祥第一次提出“ 超晶格 ” 概念，这里 “ 超” 的意思是在 天然的周期性外附加人工周期性1971 年，卓以和利用分子束外延技术生长出 第一个超晶格材料从此拉开了超晶格、量子点、量子线和量子阱等等低维半 导体材料 研究序幕 （三）半导体物理的发展特点与沿革方向 1.半导体物理的发展序幕 晶态半导体物理 如果将半导体物理的发展比喻为一台威武雄壮的话剧,那么开场剧目则是关 于具有完整周期结构的晶态半导体的研究。
而作为这一研究的两大理论基石则 是于 20 世纪 30 年代创建的固体能带理论和50 年代初期建立的晶格动力学理 论众所周知 ,1947 年晶体管的发明就是建立在以量子力学体系为基础的固体能 带理论上的可以说 ,固态电子理论的建立 ,不仅使人们能够成功地用导带、价带 和禁带的概念将金属、半导体和绝缘体分开,从而对晶态半导体结构的认识有了 一个新的飞跃 ,而且还使我们能够深刻理解、牢固掌握和灵活运用半导体的各种 物性与本质 ,并为设计和制备各种半导体器件及其集成电路奠定了重要物理基 础 如果说固体能带理论是在状态空间中描述电子的分布特点与能量状态,那么 晶格动力学理论则是在实空间中,从原子微观振动的概念出发,深刻揭示晶格原 子之间的相互作用 ,即晶体在温度场中的行为和规律的理论它在解释一系列晶 体,当然也包括晶态半导体的热学性质、力学性质、弹性性质、介电性质和光学 性质等方面都获得了巨大成功由玻恩与黄昆二人于1954 年完成的晶格动力 学理论这部权威性经典专著,对这些内容作了精辟的论述 有效质量理论和 “ 空穴 ” 概念的提出 ,是晶态半导体物理研究中的另一个重大 发展引进有效质量的意义有两个方面,一是它概括了半导体内部势场的作用,使 得在解决半导体中的电子处于外力作用下的运动规律时,可以不涉及到半导体内 部势场的作用。
另一方面,它定量地描述了半导体导带和价带边附近细致的能带 结构,给出了研究半导体中浅施主和浅受主能级、激子能级和磁能级等的理论方 法,从而促进了当时的回旋共振、磁光吸收、自由载流子吸收和激子光谱等实验 研究而 “ 空穴 ” 概念的提出 ,使得半导体中可以用电子和空穴这两种载流子来描 述半导体的导电特性正是由于这两种载流子的作用,使得晶态半导体呈现出许 多异彩纷呈的特性掺杂与缺陷是晶态半导体物理研究中的一个不可忽略的重 要侧面通过掺入不同种类的杂质可以改变其导电类型,而通过控制掺入杂质数 量可以显著改变其导电能力,这是晶态半导体的一个重要物理属性以P-n 结为 基础的 Si 平面型双极晶体管和MOS 场效应晶体管等半导体器件及其集成电路 都是以此为有源区制作的此外,在实际的晶态半导体中总是存在着一定数量的 各种缺陷 ,如点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷等,它们在决定晶态半导体的许多 物理性质方面起着重要的作用,特别是在控制晶态半导体中的载流子输运过程和 光学特性方面尤为突出 因此,在整个 20 世纪 5060 年代中 ,人们从理论和实验 等方面对各种缺陷的结构性质、热力学性质、动力学性质、电子性质以及对半 导体其它物理性质的影响,都进行了富有成效的系统研究。
1957 年由日本物理 学家 Esaki发现的隧道效应 ,是 晶态半导体物理发展史上的一个科学里程碑,它 开辟了研究半导体中载流子隧道贯穿输运特性的新领域隧道效应的发现对半 导体科学技术发展所产生的贡献在于,一是它把具有特殊掺杂分布P-n 结二极管 的正向电流-电压特性 ,用量子力学的隧道效应从理论上作出了精辟说明二是 它为 1969 年前后由 Esaki 及其合作者首次提出 “ 半导体超晶格 ” 这一新概念 ,以 及其后在各种半导体微结构中所出现的量子隧穿效应研究都提供了重要物理依 据 2.原子排列从有序向无序的转变非晶态半导体物理 作为半导体物理中的一个活跃前沿,非晶态半导体物理在上世纪7080 年 代初期获得了迅速发展因为研究非晶态半导体的意义,不仅是在科学技术上能 够获得大量的新材料和新器件,而且对于认识固体理论中的许多基本物理问题 也会产生重要影响与晶态半导体不同 ,非晶态半导体是一类无序体系,即短程 有序和长程无序对于这种结构中电子的能量状态与运动规律,不能机械地采用 传统的固态电子理论研究,而必须借助于新的理论模型为了解决这个问题,人们 经过长期努力 ,终于找到了能够比较成功地描述非晶态半导体中电子态的理论。
1958 年,Anderson发表了具有开创性的扩散在一定的无规网络中消失的著 名论文 ,首次明确提出了无序体系中电子的定域化概念其后,Mott 等人在深入的 实验和理论研究基础上,又提出了迁移率边和带尾定域态的概念(即 Mott2COF 模型 ),从而丰富了人们对非晶态半导体能带理论的认识与理解由于Mott与 Anderson对非晶态半导体理论研究作出的重大贡献,使他们共同荣获了1977 年诺贝尔物理学奖 ,成为非晶态半导体物理发展中的一个重要里程碑由于非晶 态半导体在结构特性与电子性质方面与晶态半导体不同,这使得它也有着显著不 同的输运性质从20 世纪 70 年代初期开始 ,人们先后用多种电学与光学测量方 法,对非晶态半导体的隙态密度及其分布特征进行了测量分析,并比较系统地研 究了非晶态半导体中电子漂移迁移率以及弥散性传导过程其中,1972 年由 Anderson所提出的跳跃过程中电子-声子相互作用的模型 ,在发展无序体系中电 子的跳跃式输运特性理论方面起了重要作用关于非晶态半导体在器件的实际 应用方面 ,在 20 世纪 70 年代前后有两个重大发展 一是 1968 年由 Ovshinsky 在硫系非晶态半导体中所发现的开关和存储效应,二是 1975 年由 Spear 等人利 用 SiH4 的直流辉光放电技术实现的非晶硅 (2Si) 的掺杂效应。
开关和存储效 应的发现 ,首次显示出非晶态半导体在光电开关与信息存储器件应用方面的巨大 威力,而 2Si的可控掺杂使其室温电导率提高了近10 个数量级 ,从而为 2Si太 阳电池和非晶硅薄膜晶体管(2Si:HTFT)的研制开辟了新的用武之地非晶态 半导体薄膜在光电效应方面的敏感性,使它成为制备新型光电器件的自然候选 者但是 ,非晶态半导体的性能会因光照而发生具有亚稳的光诱导现象因而,澄 清代表光诱导现象的SW 效应产生的机理和持久光电导过程的起因,成为非晶态 半导体物理研究中的又一个关键问题 20 世纪 80 年代中 ,人们相继提出了 Si2 Si 弱键断裂模型、悬挂键电荷变化模型和Si2H 键断裂模型,用于解释 2Si:H 中 的 SW 效应然而 ,这些模型都不能令人信服地解释SW 效应的物理机制随着 实验事实的不断积累 ,人们逐渐认识到 ,SW 效应不能简单地用孤立的价键构型变 化来阐明 ,认为这种效应很有可能与由于光照引起的整个Si 网络结构的改变有 关基于这样一种观点,我国学者孔光临等人首次利用“ 差分电容膨胀计方法 ” 进 行实验测定 ,发现了 2Si:H膜在光照作用下会出现体积增大的现象,认定 SW 效 应就是这种 “ 光膨胀” 的后续效应 ,从而为澄清 SW 效应的起因提供了一个十分重 要的新见解。
3材料性质从体内向表面的转变半导体表面物理 表面与界面物理在半导体物理研究中占据着举足轻重的地位,并且随着半 导体器件尺寸的微细化、结构的低维化和性能的量子化,表面与界面在半导体异 质结构和器件物理研究中所起的作用越加重要表面和界面物理研究的最主要 问题是清洁表面、真实表面和各类异质结界面的原子组态、电子结构及其对器 件性能的影响尤其是最近,随着各种固体表面上自组织生长以量子线和量子点 为主的各类有序纳米结构的兴起, “ 人工设计表面原子结构” 的研究也引起了人们 的浓厚兴趣 早在 20 世纪 60 年代初期人们就意识到,Si2MOS 器件与集成电路的稳定性 可能与栅氧化层中的各种界面电荷状态直接相关但深刻揭示它们的性质、起 因、对器件性能的影响以及如何对它们进行有效地控制,并不是一件轻而易举的 事情为此 ,众多科学家如Grove 和 Deal 等人通力合作 ,他们经过近 10 年的艰 苦努力 ,终于在 1967 年基本上搞清了Si2SiO2界面系统中的四种电荷的性质和起因,即可 动 Na+离子、固定表面电荷、快界面态与电离辐照陷阱等,并且在工艺上找到了 以掺氯氧化和磷硅玻璃钝化等为主的表面钝化方法,由此使 Si2MOS 集成电路的 稳定性得以显著提高。
Si2SiO2界面电学性质的研究使人们开始意识到表面与界。