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深度探討半導(dǎo)體的歷史、應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
半導(dǎo)體發(fā)展歷史
1、半導(dǎo)體是信息化的基礎(chǔ)
上個(gè)世紀(jì)半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體激光器、以及各種半導(dǎo)體器件的發(fā)明，對(duì)現(xiàn)代信息技術(shù)革命起了至關(guān)重要的作用，引發(fā)了一場(chǎng)新的全球性產(chǎn)業(yè)革命。
信息化是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)，信息化水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家和地區(qū)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。
進(jìn)入21世紀(jì)，全世界都在加快信息化建設(shè)步伐。
源于信息技術(shù)革命的需要，半導(dǎo)體物理、材料、器件將有新的更快的發(fā)展。
集成電路的尺寸將越來(lái)越小，將出現(xiàn)新的量子效應(yīng)器件；寬禁帶半導(dǎo)體代表了一個(gè)新的方向，將在短波長(zhǎng)激光器、白光發(fā)光管、高頻大功率器件等方面有廣闊的應(yīng)用；納米電子器件有可能作為下一代的半導(dǎo)體微電子和光電子器件；利用單電子、單光子和自旋器件作為量子調(diào)控，將在量子計(jì)算和量子通信的實(shí)用化中起關(guān)鍵作用。
2、晶體管的發(fā)明
1945年二次大戰(zhàn)結(jié)束時(shí)，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室總裁巴克萊為了適應(yīng)該室從戰(zhàn)時(shí)轉(zhuǎn)向和平時(shí)期的工作需要，決定成立固體物理組，由肖克萊負(fù)責(zé)半導(dǎo)體物理小組，成員有巴丁、布拉頓、吉布尼、穆?tīng)柕热恕?
肖克萊和巴丁是理論物理學(xué)家，布拉頓是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，吉布尼是物理化學(xué)家，穆?tīng)柺请娐穼W(xué)家，這種專業(yè)人才的搭配對(duì)于半導(dǎo)體物理研究和晶體管的發(fā)明是個(gè)黃金搭配，精干而高效。他們根據(jù)各自在30年代中期以后的經(jīng)驗(yàn)和后來(lái)的考慮，從剛開(kāi)始成立時(shí)，就把重點(diǎn)放在半導(dǎo)體材料硅和鍺的研究上。
第二次世界大戰(zhàn)期間，英國(guó)用雷達(dá)偵察到了德國(guó)的轟炸機(jī)。雷達(dá)的核心就是真空電子管，它能夠?qū)⑽⑷蹼娏鞣糯蟆Ｐた巳R早在1939年就準(zhǔn)備制作能夠?qū)㈦娏鞣糯蟮墓腆w器件，以便取代真空電子管。1947年12月，巴丁和布拉頓制成了世界上第一個(gè)鍺點(diǎn)接觸型三極管，具有電流放大作用。
巴丁和布拉頓的結(jié)果在1948年6月發(fā)表。點(diǎn)接觸晶體管的發(fā)明雖然揭開(kāi)了晶體管大發(fā)展的序幕，但由于它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能差，體積大和難以制造等缺點(diǎn)，沒(méi)有得到工業(yè)界的推廣和應(yīng)用，在社會(huì)上引起的反響不夠強(qiáng)烈。
1948年1月肖克萊在自己研究p-n結(jié)理論的基礎(chǔ)上發(fā)明了另一種面結(jié)型晶體管，并于1948年6月取得了專利。面結(jié)型晶體管又稱場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它是平面狀的（見(jiàn)圖3），可以通過(guò)一些平面工藝（如擴(kuò)散、掩膜等）進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。因此只有在面結(jié)型晶體管發(fā)明以后，晶體管的優(yōu)越性才很好地被人認(rèn)識(shí)，逐漸取代了真空電子管。
由于巴丁、布拉頓和肖克萊在晶體管和結(jié)型晶體管發(fā)明上的貢獻(xiàn)，在1956年獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。作為半導(dǎo)體晶體管的第一個(gè)應(yīng)用就是索尼公司的便攜式收音機(jī)，風(fēng)靡全球，賺了大錢(qián)。
3、集成電路的發(fā)明
晶體管收音機(jī)比電子管收音機(jī)小多了，可以隨身攜帶。但它是由晶體管、電阻、電容、磁性天線焊在一塊電路板上，相互之間由導(dǎo)線相連。體積還比較大，裝配工藝復(fù)雜。
1958年美國(guó)政府設(shè)立了晶體管電路小型化基金，以便適應(yīng)美國(guó)為趕超前蘇聯(lián)發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星的需要。那時(shí)，德克薩斯公司的基爾比承擔(dān)了這一任務(wù)，試圖制造將晶體管、電阻器和電容器等包裝在一起的小型化電路。
1958年9月基爾比制成了世界上第一個(gè)集成電路振蕩器，這一切都記載在他當(dāng)天的筆記中?；鶢柋劝l(fā)明的集成電路在1959年2月取得了專利權(quán)，名稱為“小型化電子電路”。
與此同時(shí)，美國(guó)加州菲切爾德（仙童）半導(dǎo)體公司的諾伊斯提出了用鋁連接晶體管的想法。在基爾比發(fā)明集成電路5個(gè)月以后，即1959年2月，他采用霍爾尼提出的平面晶體管方法，在整個(gè)硅片上生成SiO2掩膜，應(yīng)用光刻技術(shù)按模板刻成窗口和引線通路，通過(guò)窗口擴(kuò)散雜質(zhì)，構(gòu)成基極、發(fā)射極和集電極，將金或鋁蒸發(fā)，因而制成集成電路。1959年7月諾伊斯的集成電路取得了專利權(quán)，名稱為“半導(dǎo)體器件與引線結(jié)構(gòu)”。從此集成電路走上了大規(guī)模發(fā)展的新時(shí)期。
4、太陽(yáng)能電池的發(fā)明
為了人造衛(wèi)星的需要，1954年皮爾森和富勒利用磷和硼的擴(kuò)散技術(shù)制成了大面積的硅p-n結(jié)太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)6%以上，超過(guò)了過(guò)去最好的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率的15倍。它的制作成本低廉，可以批量生產(chǎn)，因此很快得到了大規(guī)模的應(yīng)用。
太陽(yáng)能電池的工作原理是光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射在半導(dǎo)體上時(shí)，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。如果接通外電路，就會(huì)有電流通過(guò)，這就是光生伏特效應(yīng)。
太陽(yáng)能電池的商業(yè)應(yīng)用開(kāi)始于1958年，它被選用為美國(guó)第一個(gè)人造衛(wèi)星Vanguard I的無(wú)線電發(fā)射機(jī)的電源。當(dāng)前能源危機(jī)下，太陽(yáng)能電池作為一種再生和無(wú)污染電源引起了人們極大的注意。
5、半導(dǎo)體激光器的發(fā)明
半導(dǎo)體發(fā)光管和激光器的工作原理和太陽(yáng)能電池正好相反：太陽(yáng)能電池是用光產(chǎn)生電，而發(fā)光管、激光器則用電產(chǎn)生光。用電流將電子和空穴分別引入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶。電子和空穴復(fù)合，產(chǎn)生光子。
1962年美國(guó)霍爾用p-n同質(zhì)結(jié)制成了第一個(gè)半導(dǎo)體激光器。產(chǎn)生激光必須滿足3個(gè)條件：粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布、諧振腔和電流超過(guò)一定閾值。
1963年美國(guó)的克勒默和蘇聯(lián)的阿爾費(fèi)羅夫各自獨(dú)立地制成了異質(zhì)結(jié)激光器，也就是在圖8中，結(jié)區(qū)用一種禁帶寬度小的材料，如GaAs；兩邊的p區(qū)和n區(qū)用另一種禁帶寬度大的材料，如AlxGa1-xAs。這樣，發(fā)光區(qū)域被限制在窄小結(jié)區(qū)中。
因此大大提高了發(fā)光效率，降低了激光器的閾值電流。1970年蘇聯(lián)的約飛研究所和美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室分別制成了室溫下連續(xù)工作的雙異質(zhì)結(jié)激光器，從而使半導(dǎo)體激光器在光通信中得到了廣泛的應(yīng)用。
由于克勒默和阿爾費(fèi)羅夫在發(fā)展半導(dǎo)體激光器方面的重要貢獻(xiàn)，他們?cè)?000年和集成電路發(fā)明者基爾比一起獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。硅大規(guī)模集成電路和半導(dǎo)體激光器的發(fā)明使得世界進(jìn)入了一個(gè)以微電子和光電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息時(shí)代，大大促進(jìn)了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
6、分子束外延技術(shù)的發(fā)明
制造雙異質(zhì)結(jié)激光器的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是分子束外延。1968年貝爾實(shí)驗(yàn)室的卓以和發(fā)現(xiàn)，在超高真空容器中通過(guò)精細(xì)控制束流的大小和時(shí)間，能夠按照需要生長(zhǎng)不同層數(shù)、不同種類的半導(dǎo)體材料，因而發(fā)明了分子束外延技術(shù)。分子束外延設(shè)備的示意圖見(jiàn)圖11。
裝置內(nèi)部處于超高真空條件下（10-10torr），蒸發(fā)爐內(nèi)裝有原材料元素（如Ga、As、Al等）的源。前面是可以控制的擋板，打開(kāi)擋板，將被蒸發(fā)的源原子直射至加熱的襯底上進(jìn)行外延生長(zhǎng)。目前用這種技術(shù)已經(jīng)能做到單原子層的生長(zhǎng)。裝置周?chē)且恍z測(cè)儀器，用以監(jiān)控生長(zhǎng)過(guò)程。
半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用
1、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)
大規(guī)模集成電路為計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。按照摩爾定律，集成電路的集成度以每18個(gè)月翻一番的速度發(fā)展，最近它的線度已達(dá)到幾十納米（毫米、微米、納米），每一個(gè)芯片上包含了上百億個(gè)元件。
計(jì)算機(jī)科學(xué)已經(jīng)發(fā)展到很高水平，無(wú)論是計(jì)算機(jī)的硬件還是軟件都已十分成熟，每秒萬(wàn)億次甚至更高速度的計(jì)算機(jī)（天河：2000萬(wàn)億次，世界第二）都已問(wèn)世，這為各種高速運(yùn)算、海量信息處理和轉(zhuǎn)換提供了有力的工具。
自從1943年計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)，由于集成電路的發(fā)明，計(jì)算機(jī)向著高運(yùn)算速度、體積小型化方向飛速發(fā)展。目前世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家和中國(guó)都已擁有百萬(wàn)億次以上浮點(diǎn)運(yùn)算的大型計(jì)算機(jī)。中國(guó)制造和擁有這種超級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)量在世界上據(jù)第二位，僅次于美國(guó)。
這種超級(jí)計(jì)算機(jī)能用于分析蛋白質(zhì)、開(kāi)發(fā)新藥等，在軍事上可用于模擬核爆炸、解密碼等。需要說(shuō)明的是制造這種計(jì)算機(jī)所需的大規(guī)模集成電路中國(guó)還很落后，大部分還需進(jìn)口。
2、光通信技術(shù)
以前長(zhǎng)距離通信靠長(zhǎng)途電話或電報(bào)。因?yàn)橥ㄔ挃?shù)目少，價(jià)錢(qián)很貴。1966年英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)通信實(shí)驗(yàn)室的高錕（K. C. Kao）提出用無(wú)雜質(zhì)高透明度的玻璃纖維傳輸激光信號(hào)。如果它的損耗能低到20分貝/公里，則就能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離光通信。
1970年紐約康寧玻璃廠的毛瑞爾（R. D. Maurer）等用“淀積工藝”將四氯化硅蒸氣經(jīng)過(guò)火焰水解，制成密實(shí)的玻璃管，再加熱后通過(guò)模子拉制成細(xì)的玻璃纖維。低損耗的玻璃纖維的誕生是光通信技術(shù)的里程碑進(jìn)展。
1976年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室在亞特蘭大進(jìn)行了第一次光通信實(shí)地實(shí)驗(yàn)，取得了很好的效果。光纖的平均功率損耗為6分貝/公里，無(wú)差錯(cuò)傳輸信息超過(guò)10.9公里，相當(dāng)于通過(guò)光纖環(huán)路17周。1976年12月貝爾實(shí)驗(yàn)室宣布：光波通信通過(guò)了它的首次檢驗(yàn)，光波通信的可能性已經(jīng)得到證明。從此宣告了光通信時(shí)代的來(lái)臨，并預(yù)示著微電子時(shí)代向光電子時(shí)代的序幕正式揭開(kāi)了。
今天，電信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和有線電視網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施，所有政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、科技活動(dòng)以至人們?nèi)粘Ｉ顣r(shí)刻都離不開(kāi)這三網(wǎng)。我國(guó)現(xiàn)有電話用戶8億5千萬(wàn)，其中移動(dòng)手機(jī)用戶4億8千萬(wàn)，是世界上最大的電信網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)上網(wǎng)用戶已達(dá)1.37億，有線電視用戶達(dá)1.3億，占世界三分之一。
將來(lái)的趨勢(shì)是三網(wǎng)合一。現(xiàn)在的手機(jī)上網(wǎng)已經(jīng)很普遍了，這方面美國(guó)的蘋(píng)果公司走在了前面。
光有不同的顏色和波長(zhǎng)。不是所有顏色的光都能在光纖中傳播。
光纖的損耗分別在1450-1550nm和1250-1350nm處具有最低值和次低值，因此是光纖通信的2個(gè)主要窗口。為了讓一根光纖能傳播盡量多的信息通道，采用了波分復(fù)用的光通信系統(tǒng)，就是把這2個(gè)波段劃分成很窄的波長(zhǎng)，每個(gè)波長(zhǎng)形成一定的通信容量。將不同波長(zhǎng)的信號(hào)通過(guò)一根光纖傳至對(duì)方，再經(jīng)過(guò)解復(fù)用，由光檢測(cè)器恢復(fù)原來(lái)以不同波長(zhǎng)傳遞的電信號(hào)。由于光信號(hào)在傳遞中會(huì)逐步衰減，為了達(dá)到長(zhǎng)距離傳輸?shù)哪康?，每隔一定距離需要通過(guò)摻鉺光纖放大器將其信號(hào)放大。
3、無(wú)線通信技術(shù)（手機(jī)）
無(wú)線通信的基礎(chǔ)是蜂窩式移動(dòng)電話，它的早期制式是貝爾實(shí)驗(yàn)室在1978年推出的“先進(jìn)移動(dòng)電話服務(wù)”系統(tǒng)（AMPS）。該系統(tǒng)是將服務(wù)的區(qū)域分成許多小的六角形的地理區(qū)域（cell），就像蜂窩一樣（見(jiàn)圖19）。每個(gè)小區(qū)內(nèi)有低功率的無(wú)線電話發(fā)射器、接收器和一個(gè)控制系統(tǒng)，形成一個(gè)基站。
各服務(wù)區(qū)的基站通過(guò)光纖連接到中央交換實(shí)體（移動(dòng)電話局），該實(shí)體裝有電子交換系統(tǒng)?；揪W(wǎng)絡(luò)追蹤移動(dòng)終端的位置，當(dāng)移動(dòng)終端到達(dá)另一小區(qū)時(shí)能自動(dòng)與鄰近的基站重建聯(lián)系，以便繼續(xù)通話。由于小區(qū)內(nèi)的無(wú)線通話功率低，只影響限定的范圍，因而與別的小區(qū)的通信信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生干擾。
第一個(gè)AMPS系統(tǒng)在1979年7月在芝加哥試驗(yàn)成功。1992年4月，AT&T公司微電子集團(tuán)宣布制成新一代數(shù)字蜂窩電話的集成電路芯片，使該公司成為移動(dòng)通信數(shù)字信號(hào)處理元件的領(lǐng)先供應(yīng)者。這種數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成DSP1600系列，它使手機(jī)的體積和功率大大減小，在市場(chǎng)上大受用戶歡迎。
除了手機(jī)通信以外，還有其它的無(wú)線通信手段（見(jiàn)圖20），包括：衛(wèi)星傳輸高清晰度電視、衛(wèi)星間通訊、多點(diǎn)視頻通訊、無(wú)線局域網(wǎng)、交通工具之間的通訊、以及防撞雷達(dá)等。它們的工作頻率在微波波段，從幾個(gè)GHz到100GHz。
各種無(wú)線通信及其工作頻率。波段從微米到毫米波段，頻率為20-80 GHz。
無(wú)線通訊中最關(guān)鍵的器件是半導(dǎo)體高頻振蕩器件，目前有2種：高電子遷移率晶體管（HEMT）和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）。它們實(shí)際上就是典型的三極管，但由于利用分子束外延技術(shù)，n-p-n每一層都可以做得很薄，縮小了電子運(yùn)動(dòng)的路徑，具有高的截止頻率fT。目前這兩種器件的截止頻率都已達(dá)到了100GHz以上，滿足了無(wú)線通信的需要。
npn型雙極晶體管截面圖
4、半導(dǎo)體太陽(yáng)電池——太陽(yáng)電池用硅材料
太陽(yáng)電池用硅材料主要包括：直拉硅單晶、非晶硅、帶狀硅和薄膜多晶硅，這些材料在實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)業(yè)中制成的太陽(yáng)電池的效率如圖22。
目前鑄造多晶硅占太陽(yáng)能電池材料的47.54％，是最主要的太陽(yáng)電池材料。到2004年，鑄造多晶硅的市場(chǎng)份額已經(jīng)超過(guò)53％。直拉單晶硅占35.17％，占據(jù)第二位，而非晶硅薄膜占8.3％，位于第三位，而化合物半導(dǎo)體CuInSe和CdTe僅占0.6％。
不同的半導(dǎo)體材料在實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)業(yè)中制成的太陽(yáng)電池效率
5、半導(dǎo)體太陽(yáng)電池——多晶硅太陽(yáng)電池
直到上世紀(jì)90年代，太陽(yáng)能光伏工業(yè)還是主要建立在硅單晶的基礎(chǔ)上。雖然硅單晶電池的成本在不斷下降，但是和常規(guī)電力相比還是缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，因此，不斷降低成本是光伏界追求的目標(biāo)。
自上世紀(jì)80年代鑄造多晶硅 的發(fā)明和應(yīng)用以來(lái)，增長(zhǎng)迅速。它以相對(duì)低成本、高效率的優(yōu)勢(shì)不斷擠占單晶硅的市場(chǎng)，成為最有競(jìng)爭(zhēng)力的太陽(yáng)電池材料，到本世紀(jì)初，已占到50％以上，已經(jīng)成為最主要的太陽(yáng)電池材料。
鑄造多晶硅硅片的表面光學(xué)照片
到目前為止，鑄造多晶硅的晶錠重量已經(jīng)達(dá)到300 kg，太陽(yáng)電池片的尺寸達(dá)到210×210 mm2。到本世紀(jì)初，多晶硅太陽(yáng)電池的效率達(dá)到20.3%。在實(shí)際生產(chǎn)中，鑄造多晶硅太陽(yáng)電池的最高效率也達(dá)到17.7％左右，接近直拉硅單晶太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
6、半導(dǎo)體太陽(yáng)電池——非晶硅薄膜太陽(yáng)電池
今日非晶硅薄膜太陽(yáng)電池已發(fā)展成為實(shí)用廉價(jià)的太陽(yáng)電池品種之一，具有相當(dāng)?shù)墓I(yè)規(guī)模。世界上非晶硅太陽(yáng)電池的總組件生產(chǎn)能力達(dá)到每年50MW以上，組件及相關(guān)產(chǎn)品的銷售額在10億美元以上。應(yīng)用范圍小到手表、計(jì)算器電源，大到10MW級(jí)的獨(dú)立電站，對(duì)太陽(yáng)能光伏的發(fā)展起了重要的推動(dòng)作用。
和晶體硅相比，非晶硅薄膜具有制備工藝簡(jiǎn)單、成本低和可大面積連續(xù)生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。在太陽(yáng)電池領(lǐng)域，其優(yōu)點(diǎn)具體表現(xiàn)為：
（1）材料和制造工藝成本低。這是因?yàn)榉蔷Ч璞∧ぬ?yáng)電池是制備在廉價(jià)的襯底材料上，如玻璃、不銹鋼、塑料等，其價(jià)格低廉；而且，非晶硅薄膜僅有數(shù)千埃厚度，不足晶體硅電池厚度的百分之一，這也大大降低了硅原材料的成本；進(jìn)一步而言，非晶硅制備是在低溫進(jìn)行，其沉積溫度為100℃~300℃，顯然，規(guī)模生產(chǎn)的能耗小，可以大幅度降低成本。
（2）易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。
（3）多品種和多用途。
（4）易實(shí)現(xiàn)柔性電池。非晶硅可以制備在柔性的襯底上，而且它的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能特殊，因此，它可以制備成輕型、柔性太陽(yáng)電池，易于和建筑集成，以及各種日常用品。
但是，和晶體硅相比，非晶硅太陽(yáng)電池的效率相對(duì)較低，在實(shí)驗(yàn)室電池的穩(wěn)定的最高轉(zhuǎn)換效率只有16％左右；在實(shí)際生產(chǎn)線上，效率不超過(guò)10％；而且，非晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)化效率在太陽(yáng)光的長(zhǎng)期照射下有嚴(yán)重地衰減，到目前為止仍然沒(méi)有根本解決。
另外，還有軍事和衛(wèi)星用的化合物太陽(yáng)能疊層電池。
7、半導(dǎo)體白光照明
?1.發(fā)展半導(dǎo)體白光照明意義
氮化鎵發(fā)光管（LED）是一種高效長(zhǎng)壽命的固態(tài)照明光源。白熾燈、熒光燈是目前面廣量大的傳統(tǒng)白光照明光源。白熾燈是一種熱光（色溫2800Ｋ），含有大量的紅外線，工作壽命短，發(fā)光效率低，而熒光燈則是一種冷光，高效率，但壽命短，有毒（含汞)。與傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈相比，氮化鎵發(fā)光管是一種具有體積小、重量輕、電壓低、效率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)的固態(tài)照明冷光源，因此是一種節(jié)能、綠色照明光源。
氮化鎵LED目前已經(jīng)用在許多場(chǎng)合：景觀燈、交通燈、汽車(chē)尾燈、大屏幕顯示燈。
能源是經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展不可缺少的要素，節(jié)約能源、提高能效是可持續(xù)發(fā)展能源的重大戰(zhàn)略。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界“照明”耗能約占總電功率的20％。由于LED高效發(fā)光，LED白光照明可節(jié)省大量的發(fā)電煤和原油使用量，全球每年可減少25億噸CO2排放量。
因此，氮化鎵LED白光照明具有巨大的市場(chǎng)前景，將來(lái)成本和效率問(wèn)題解決以后，可代替目前廣泛使用的白熾燈和熒光燈，引發(fā)一次白光照明技術(shù)革命。國(guó)際上把半導(dǎo)體照明光源中期目標(biāo)（5-10年內(nèi)）定為>100 lm/W，2020年達(dá)到200 lm/W或300 lm/W，這樣就可替代傳統(tǒng)照明。
?2.氮化鎵LED白光照明的技術(shù)途徑
眾所周知，由紅(Red)、綠(Green)、藍(lán)（Blue）三基色可合成白光，如圖24所示。該圖為1931色度圖，三角形中央虛線區(qū)為白光區(qū)。氮化鎵LED一般只能發(fā)出一種顏色的光。白光照明也要通過(guò)RGB三基色的合成來(lái)實(shí)現(xiàn)。RGB三基色可以直接靠LED發(fā)射三基色光，也可用LED去激發(fā)熒光物質(zhì)，通過(guò)二次光轉(zhuǎn)換獲得三基色光或準(zhǔn)三基色光。
所以，實(shí)現(xiàn)氮化鎵LED白光照明有兩種技術(shù)途徑：一種是利用氮化鎵發(fā)光二極管（LED）去激發(fā)熒光物質(zhì)轉(zhuǎn)換成白光，可稱作為“二次光轉(zhuǎn)換白光技術(shù)”；另一種是利用LED直接發(fā)射白光，可稱作為“直接發(fā)射白光技術(shù)”。
?3. LED白光照明技術(shù)發(fā)展方向
（1）研究發(fā)展近紫外、深紫外LED器件，實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)的“固體白光熒光燈”。這種白光技術(shù)具有顯色指數(shù)高（CRI>90）、轉(zhuǎn)換效率高（外量子效率43%），色彩重現(xiàn)性高等特點(diǎn)，是一種較理想的白光源。
（2）研究發(fā)展III族氮化物L(fēng)ED直接發(fā)射白光技術(shù)
（3）研究提高LED發(fā)光效率、光通量，發(fā)展功率型LED其器件
傳統(tǒng)白熾燈發(fā)光效率為16 lm/W，熒光燈發(fā)光效率為85 lm/W，因此，Ⅲ族氮化物L(fēng)ED白光照明光源要替代白熾燈和熒光燈，其發(fā)光效率至少要超過(guò)100 lm/W，同時(shí)要降低成本。
8、光盤(pán)存儲(chǔ)和激光測(cè)距、激光打印、激光儀器
光盤(pán)存儲(chǔ)和激光測(cè)距、激光打印、激光儀器等是半導(dǎo)體激光器的另一重大應(yīng)用領(lǐng)域。CD盤(pán)（只讀聲盤(pán)）、DVD（數(shù)值可視盤(pán)）所用的激光器波長(zhǎng)分別為780nm和670nm、650nm，由激光器將信息“寫(xiě)”入光盤(pán)或者從光盤(pán)上“讀”出聲音或光信號(hào)。激光器的波長(zhǎng)越短，光盤(pán)存儲(chǔ)密度就越高。波長(zhǎng)為410nm的InGaN激光器可以將光盤(pán)的存儲(chǔ)量再提高一大步。波長(zhǎng)為670-630nm的InGaAlP激光器已在許多場(chǎng)合取代了He－Ne激光器，在激光測(cè)距、激光打印、激光醫(yī)療儀器中得到了重要的應(yīng)用。
9、半導(dǎo)體激光器的軍事應(yīng)用
波長(zhǎng)為808nm的AlGaAs大功率激光器是大功率YAG（摻釔鋁石榴石）固體激光器的泵浦光源，代替了原來(lái)的氙氣激光器，取消了龐大的電源和冷卻系統(tǒng)，使固體激光器變得高效率、小體積、高性能、長(zhǎng)壽命、低成本，適合于軍事應(yīng)用，例如激光雷達(dá)和核爆炸模擬、核聚變研究。水下光傳播的窗口為590nm，藍(lán)綠光激光器的誕生為水下通信開(kāi)了綠燈?；鸺?、飛機(jī)飛行過(guò)程中掌握方向的光纖陀螺中最關(guān)鍵的器件是半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管。
10、環(huán)境保護(hù)
大自然中，水汽、甲烷、氨氣、二氧化碳、一氧化碳、鹽酸、溴酸、硫化氫等氣體的靈敏吸收峰在1.5-2.0mm范圍。InAsSb或GaInAsSb應(yīng)變量子阱激光器的波長(zhǎng)可達(dá)1.0-4.0mm范圍，近年來(lái)出現(xiàn)的量子級(jí)聯(lián)激光器的波長(zhǎng)可達(dá)4.0-17mm。這些覆蓋了紅外－遠(yuǎn)紅外范圍的各類激光，構(gòu)成了大氣監(jiān)控、監(jiān)測(cè)的環(huán)保衛(wèi)士。
半導(dǎo)體技術(shù)的未來(lái)發(fā)展
1、信息技術(shù)的革命
信息傳輸。信息量的爆炸式的增加，對(duì)信息通道的容量要求越來(lái)越大。在網(wǎng)上傳遞的不僅是文字、而且還有音樂(lè)、圖像、電視信號(hào)等；不僅是有線，還需要無(wú)線；不僅是洲際、國(guó)際、城際，而且需要局域網(wǎng)。為此需要發(fā)展新的通信系統(tǒng)，如綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)（ISDN）以及多媒體技術(shù)等。
信息處理，包括文本處理、知識(shí)處理、圖像處理以及語(yǔ)言識(shí)別、圖像識(shí)別、智能化處理等。人工智能就是通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了某些人的智能。例如：理解和發(fā)出語(yǔ)言、識(shí)別圖像、作數(shù)學(xué)證明、下棋、音樂(lè)作曲、進(jìn)行專業(yè)鑒定、醫(yī)學(xué)診斷等。計(jì)算機(jī)將把人們從一部分日常的腦力勞動(dòng)中解放出來(lái)，并且通過(guò)應(yīng)用“思維工具”把人們的智慧擴(kuò)大到以前不可想象的程度。
2、更高的集成度
世界集成電路主流工藝將經(jīng)過(guò)：2007年的65納米（集成電路線寬）、2010年的45納米、2013年的33納米、以及2016年的22納米工業(yè)化生產(chǎn)的4個(gè)發(fā)展階段。為此，就必須解決一系列的關(guān)鍵技術(shù)和專用設(shè)備，如：新型器件的研發(fā)（非傳統(tǒng)CMOS器件、新型存儲(chǔ)器、邏輯器件等），IC設(shè)計(jì)、封裝、和測(cè)試技術(shù)，新型光刻機(jī)、刻蝕機(jī)等配套設(shè)備等。
半導(dǎo)體器件的尺寸不能無(wú)限制地減小，如果器件尺寸小到電子的德波羅依波長(zhǎng)（10納米），量子效應(yīng)將會(huì)更加明顯，這時(shí)需要設(shè)計(jì)建立在量子力學(xué)原理基礎(chǔ)上的新型半導(dǎo)體器件。
3、半導(dǎo)體光電器件
半導(dǎo)體光電器件向更長(zhǎng)和更短波長(zhǎng)、更大功率、更高工作頻率的方向發(fā)展
大功率激光器列陣分準(zhǔn)連續(xù)(QCW)器件與連續(xù)(CW)器件，它們除了作固體激光器的泵浦源外，還可直接用作材料加工、醫(yī)療、儀器、敏感技術(shù)、印刷制版等，進(jìn)入傳統(tǒng)中由非半導(dǎo)體激光器主宰的市場(chǎng)，代替氣體、固體激光器。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)雙極晶體管具有線性好、電流容量大、閾值電流均勻等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在線性度要求高、工作環(huán)境苛刻的大功率微波系統(tǒng)中，如軍用雷達(dá)、通信等；還可應(yīng)用于在苛刻環(huán)境下工作的智能機(jī)器人等系統(tǒng)中。
4、集成光學(xué)和集成光電子學(xué)
由集成在半導(dǎo)體薄膜上的激光器、調(diào)制器、波導(dǎo)、光柵、棱鏡和其它無(wú)源光學(xué)元件構(gòu)成的系統(tǒng)叫做集成光學(xué)系統(tǒng)。集成光學(xué)系統(tǒng)用光互連代替電互連，在計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)中具有通帶寬、信息量大、損耗小、速度快、能并行處理、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。硅材料的成本低廉、工藝成熟，在微電子器件中得到廣泛應(yīng)用。但是由于它是間接帶隙材料，不能作發(fā)光器件。目前科學(xué)家們正在解決光源的問(wèn)題，以便在硅材料上做到光電集成。
5、半導(dǎo)體超晶格和量子線、量子點(diǎn)器件
半導(dǎo)體超晶格、量子線、量子點(diǎn)是低維結(jié)構(gòu)，它們具有一些特殊的物理性質(zhì)，如量子限制效應(yīng)和電子運(yùn)動(dòng)的二維或一維特性，可以制成一些性能優(yōu)異的器件，如：激光器、高電子遷移率器件、光雙穩(wěn)器件、共振隧穿器件等。當(dāng)器件的尺寸、維度進(jìn)一步減小，使得電子運(yùn)動(dòng)的平均自由程大于器件的尺寸時(shí)，電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將不受雜質(zhì)、晶格振動(dòng)等的散射，而作一種相干波運(yùn)動(dòng)。
利用這些特點(diǎn)預(yù)計(jì)可制造出超高速、超低電能的電子器件。例如量子點(diǎn)單電子晶體管將使動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）的功耗大大降低。
6、半導(dǎo)體量子信息器件
目前的工藝已經(jīng)能在半導(dǎo)體量子點(diǎn)上產(chǎn)生和探測(cè)單個(gè)光子，使得半導(dǎo)體量子點(diǎn)成為實(shí)現(xiàn)量子信息處理（量子計(jì)算、量子通信）最有希望的固體器件。量子信息科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，為精密測(cè)量、量子計(jì)算和保密通訊等領(lǐng)域都提供了全新的革命性的理論和實(shí)驗(yàn)方法。量子信息最關(guān)鍵的是利用光子的相干性。
光子作為量子理論中最基本的量子化實(shí)體，能夠很容易地實(shí)現(xiàn)收集、傳遞、復(fù)制、存儲(chǔ)和處理信息的全過(guò)程，具有作為量子通訊、量子計(jì)算載體的獨(dú)特的先天優(yōu)勢(shì)。因此基于光子過(guò)程的量子信息處理器件是各種量子信息工程的基礎(chǔ)，它的基本原理研究和制備必將為計(jì)算科學(xué)和通訊能力帶來(lái)飛越式的發(fā)展。
7、自旋電子器件
目前微電子器件是應(yīng)用載流子電荷攜帶信息。如果一種材料能同時(shí)利用載流子的電荷和自旋屬性作為信息的載體，將可以制造出具有非揮發(fā)、低功耗、高速和高集成度的優(yōu)點(diǎn)的器件，甚至有可能引起電子信息科學(xué)重大的變革。摻磁性離子的稀磁半導(dǎo)體及自旋電子學(xué)（Spintronics）即應(yīng)此要求而生。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體中自旋相干時(shí)間已經(jīng)達(dá)到ns量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電荷的相干時(shí)間，預(yù)示著自旋電子學(xué)在未來(lái)量子計(jì)算和量子通信中的重要應(yīng)用前景。實(shí)現(xiàn)自旋為基的量子計(jì)算機(jī)的主要困難是精確控制和保持自旋相干，因此如何產(chǎn)生自旋相干電子態(tài)，以及減小自旋退相干有許多物理問(wèn)題需要研究和解決。
2018-10-18 來(lái)源：電子發(fā)燒友網(wǎng)
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