一
半導體發展歷史
半導體是信息化的基礎
上個世紀半導體大規模集成電路、半導體激光器、以及各類半導體元件的發明，對現代信息技術革命起了至關重要的作用，引起了一場新的全球性產業革命。信息化是現今世界經濟和社會發展的大趨勢，信息化水平已成為評判一個國家和地區現代化的重要標志。
步入21世紀，全世界都在推進信息化建設腳步。始于信息技術革命的須要，半導體化學、材料、器件將有新的更快的發展。集成電路的規格將越來越小，將出現新的量子效應元件；寬禁帶半導體代表了一個新的方向，將在長波長激光器、白光發光管、高頻大功率元件等方面有寬廣的應用；納米電子元件有可能作為下一代的半導體微電子和光電子元件；借助單電子、單光子和載流子元件作為量子調控，將在量子估算和量子通訊的實用化中起關鍵作用。
晶體管的發明
1945年二次大戰結束時，德國貝爾實驗室總裁高盛為了適應該室從戰時轉向和平時期的工作須要，決定組建固體化學組，由肖克萊負責半導體化學小組，成員有巴丁、布拉頓、吉布尼、穆爾等人。肖克萊和巴丁是理論化學學家，布拉頓是實驗化學學家，吉布尼是數學物理家，穆爾是電路學家，這些專業人才的搭配對于半導體化學研究和晶體管的發明是個黃金搭配，精干而高效。她們按照各自在30年代中期之后的經驗和后來的考慮，從剛開始組建時，就把重點放到半導體材料硅和鍺的研究上。
第二次世界大戰期間，日本用雷達偵察到了美國的轟炸機。雷達的核心就是真空電子管，它還能將微弱電流放大。肖克萊早在1939年就打算制做才能將電壓放大的固體元件，便于代替真空電子管。1947年12月，巴丁和布拉頓制成了世界上第一個鍺點接觸型二極管，具有電壓放大作用。
巴丁和布拉頓的結果在1948年6月發表。點接觸晶體管的發明其實揭露了晶體管大發展的帷幕，但因為它的結構復雜，性能差，容積大和無法制造等缺點，沒有得到工業界的推廣和應用，在社會上造成的反響不夠強烈。
1948年1月肖克萊在自己研究p-n結理論的基礎上發明了另一種面結型晶體管，并于1948年6月取得了專利。面結型晶體管又稱場效應晶體管，它是平面狀的（見圖3），可以通過一些平面工藝（如擴散、掩膜等）進行大規模生產。因而只有在面結型晶體管發明之后，晶體管的優越性才挺好地被人認識，逐步替代了真空電子管。
因為巴丁、布拉頓和肖克萊在晶體管和結型晶體管發明上的貢獻，在1956年獲得了諾貝爾化學獎。作為半導體晶體管的第一個應用就是索尼公司的便攜式收音機，席卷全球，賺了大錢。
集成電路的發明
晶體管收音機比電子管收音機小多了，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，互相之間由導線相連。容積還比較大，裝配工藝復雜。
1958年日本政府籌建了晶體管電路大型化基金，便于適應日本為超越前南斯拉夫發射的第一顆人造衛星的須要。那時，佛羅里達公司的基爾比承當了這一任務，企圖制造將晶體管、電阻器和電容器等包裝在一起的大型化電路。1958年9月基爾比制成了世界上第一個集成電路振蕩器，這一切都記載在他當日的筆記中。基爾比發明的集成電路在1959年2月取得了專利權，名稱為“小型化電子電路”。
與此同時，韓國加洲菲切爾德（仙童）半導體公司的諾伊斯提出了用鋁聯接晶體管的看法。在基爾比發明集成電路5個月之后，即1959年2月，他采用霍爾尼提出的平面晶體管方式，在整個晶圓上生成SiO2掩膜鍺與量子通訊，應用光刻技術按模板刻成窗口和引線通路，通過窗口擴散雜質，構成柵極、發射極和基極，將金或鋁蒸發，因此制成集成電路。1959年7月諾伊斯的集成電路取得了專利權，名稱為“半導體元件與引線結構”。自此集成電路走上了大規模發展的新時期。
太陽能電板的發明
為了人造衛星的須要，1954年皮爾森和富勒借助磷和硼的擴散技術制成了大面積的硅p-n結太陽能電板，光電轉換效率達6%以上，超過了過去最好的太陽能轉換效率的15倍。它的制做成本低廉，可以批量生產，因而很快得到了大規模的應用。
太陽能電板的工作原理是光生伏特效應。當光照射在半導體上時，在半導體中形成電子－空穴對。假如接通外電路，都會有電壓通過，這就是光生伏特效應。
太陽能電板的商業應用開始于1958年，它被選用為日本第一個人造衛星I的無線電發射機的電源。當前能源危機下，太陽能電板作為一種再生和無污染電源導致了人們極大的注意。
半導體激光器的發明
半導體發光管和激光器的工作原理和太陽能電板剛好相反：太陽能電板是用光形成電，而發光管、激光器則用電形成光。用電壓將電子和空穴分別引入半導體的導帶和價帶。電子和空穴復合，形成光子。
1962年日本霍爾用p-n同質結制成了第一個半導體激光器（見圖8）。形成激光必須滿足3個條件：粒子數的反轉分布、諧振腔和電壓超過一定閥值。
1963年馬來西亞的克勒默和南斯拉夫的阿爾費羅夫各自獨立地制成了異質結激光器，也就是在圖8中，結區用一種禁帶長度小的材料，如GaAs；兩側的p區和n區用另一種禁帶長度大的材料，如-xAs。這樣，發光區域被限制在窄小結區中（見圖9）。因而大大提升了發光效率，減少了激光器的閥值電壓。1970年南斯拉夫的約飛研究所和日本的貝爾實驗室分別制成了溫度下連續工作的雙異質結激光器，因而使半導體激光器在光通訊中得到了廣泛的應用。
因為克勒默和阿爾費羅夫在發展半導體激光器方面的重要貢獻，她們在2000年和集成電路發明者基爾比一起獲得了諾貝爾化學獎。硅大規模集成電路和半導體激光器的發明促使世界步入了一個以微電子和光電子技術為基礎的信息時代，大大推動了社會和經濟的發展。
分子束外延技術的發明
制造雙異質結激光器的一個關鍵技術是分子束外延。1968年貝爾實驗室的卓以和發覺，在超高真空容器中通過精細控制束流的大小和時間，才能根據須要生長不同層數、不同種類的半導體材料，因此發明了分子束外延技術。分子束外延設備的示意圖見圖11。裝置內部處于超高真空條件下（10-），蒸發爐內裝有原材料元素（如Ga、As、Al等）的源。上面是可以控制的擋板，打開擋板，將被蒸發的源原子直射至加熱的襯底上進行外延生長。目前用這些技術早已能做到單原子層的生長。裝置周圍是一些檢查儀器，用以監控生長過程。
二
半導體技術的應用
1、大規模集成電路和計算機
大規模集成電路為計算機、網絡的發展打下了基礎。根據摩爾定理，集成電路的集成度以每18個月翻一番的速率發展，近來它的線度已達到幾十納米（毫米、微米、納米），每一個芯片上包含了上百億個器件。計算機科學早已發展到很高水平，無論是計算機的硬件還是軟件都已非常成熟，每秒萬億次甚至更高速率的計算機（海珠：2000萬億次，世界第二）都已問世，這為各類高速運算、海量信息處理和轉換提供了有力的工具。
自從1943年計算機誕生以來，因為集成電路的發明，計算機奔向高運算速率、體積大型化方向急劇發展。目前世界主要發達國家和中國都已擁有百萬億次以上浮點運算的小型計算機。中國制造和擁有這些超級計算機的數目在世界上據第二位，僅次于馬來西亞。這些超級計算機能用于剖析蛋白質、開發新藥等，在軍事上可用于模擬核爆燃、解密碼等。須要說明的是制造這些計算機所需的大規模集成電路中國還很落后，大部份還需進口。
2、光通訊技術
曾經長距離通訊靠長途電話或電報。由于通話數量少，價格很貴。1966年日本標準通訊實驗室的高錕（K.C.Kao）提出用無雜質高透明度的玻璃纖維傳輸激光訊號。假如它的耗損能低到20分貝/公里，則能夠實現長距離光通訊。1970年倫敦康寧玻璃廠的毛瑞爾（R.D.）等用“淀積工藝”將四硝酸硅蒸汽經過火焰酯化，制成密實的玻璃管，再加熱后通過模子拉制成細的玻璃纖維。低耗損的玻璃纖維的誕生是光通訊技術的里程碑進展。
1976年日本貝爾實驗室在芝加哥進行了第一次光通訊實地實驗，取得了挺好的療效。光纖的平均功率耗損為6分貝/公里，無差錯傳輸信息超過10.9公里，相當于通過光纖支路17周。1976年12月貝爾實驗室宣布：光波通訊通過了它的首次檢驗，光波通訊的可能性早已得到證明。自此宣告了光通訊時代的將至，并喻示著微電子時代向光電寅時代的帷幕即將揭露了。
明天，聯通網路、計算機網路和有線電視網路早已成為一個國家重要基礎設施，所有政治、經濟、軍事、科技活動因而人們日常生活時刻都離不開這三網。我國現有電話用戶8億5千萬，其中聯通手機用戶4億8千萬，是世界上最大的聯通網路。計算機上網用戶已達1.37億，有線電視用戶達1.3億，占世界三分之一。
將來的趨勢是三網合一。現今的手機上網早已很普遍了，這方面日本的蘋果公司走在了后面。
光有不同的顏色和波長。不是所有顏色的光都能在光纖中傳播。
光纖的耗損分別在1450-和1250-處具有最低值和次低值，因而是光纖通訊的2個主要窗口。為了讓一根光纖能傳播盡量多的信息通道，采用了波分復用的光通訊系統，就是把這2個波段界定成很窄的波長，每位波長產生一定的通訊容量。將不同波長的訊號通過一根光纖傳至對方，再經過解復用，由光監測器恢復原先以不同波長傳遞的聯通號。因為光訊號在傳遞中會逐漸衰減，為了達到長距離傳輸的目的，每隔一定距離須要通過摻鉺光纖放大器將其訊號放大。
3、無線通訊技術（手機）
無線通訊的基礎是蜂窩式聯通電話，它的初期制式是貝爾實驗室在1978年推出的“先進聯通電話服務”系統（AMPS）。該系統是將服務的區域分成許多小的圓形的地理區域（cell），如同蜂窩一樣（見圖19）。每位新村內有低功率的無線電話發射器、接收器和一個控制系統，產生一個基站。各服務區的基站通過光纖聯接到中央交換實體（聯通電話局），該實體裝有電子交換系統。基站網路追蹤聯通終端的位置，當聯通終端抵達另一新村時能手動與毗鄰的基站重建聯系，便于繼續通話。因為新村內的無線通話功率低，只影響限定的范圍，因此與別的新村的通訊訊號不會形成干擾。
第一個AMPS系統在1979年7月在紐約試驗成功。1992年4月，AT&T公司微電子集團宣布制成新一代數字蜂窩電話的集成電路芯片，使該公司成為聯通通訊數字訊號處理器件的領先供應者。這些數字訊號處理器構成系列，它使手機的容積和功率大大降低，在市場上大受用戶歡迎。
不僅手機通訊以外，還有其它的無線通訊手段（見圖20），包括：衛星傳輸高清晰度電視、衛星間通信、多點視頻通信、無線局域網、交通工具之間的通信、以及防撞雷達等。它們的工作頻度在微波波段，從幾個GHz到。
各類無線通訊及其工作頻度。波段從微米到毫米波段，頻度為20-80GHz。
無線通信中最關鍵的元件是半導體高頻振蕩元件，目前有2種：高電子遷移率晶體管（HEMT）和異質結雙極晶體管（HBT）。它們實際上就是典型的二極管，但因為借助分子束外延技術，n-p-n每一層都可以做得很薄，縮小了電子運動的路徑，具有高的截至頻度fT。目前這兩種元件的截至頻度都已達到了以上，滿足了無線通訊的須要。
npn型雙極晶體管截面圖
4、半導體太陽電瓶——太陽電瓶用硅材料
太陽電瓶用硅材料主要包括：直拉硅單晶硅、非晶硅、帶狀硅和薄膜砷化鎵，這種材料在實驗室和產業中制成的太陽電瓶的效率如圖22。
目前澆鑄砷化鎵占太陽能電板材料的47.54％，是最主要的太陽電瓶材料。到2004年，澆鑄砷化鎵的市場份額早已超過53％。直拉單晶占35.17％，搶占第二位，而非晶硅薄膜占8.3％，坐落第三位，而化合物半導體和CdTe僅占0.6％。
不同的半導體材料在實驗室和產業中制成的太陽電瓶效率
5、半導體太陽電瓶——多晶硅太陽電瓶
直至上世紀90年代，太陽能光伏工業還是主要構建在硅單晶硅的基礎上。其實硅單晶硅電瓶的成本在不斷增長，并且和常規電力相比還是缺少競爭力，因而，不斷增加成本是光伏界追求的目標。自上世紀80年代澆鑄砷化鎵的發明和應用以來，下降迅速。它以相對低成本、高效率的優勢不斷圈占單晶的市場，成為最有競爭力的太陽電瓶材料，到本世紀初，已占到50％以上，早已成為最主要的太陽電瓶材料。
澆鑄砷化鎵晶圓的表面光學相片
到目前為止，澆鑄砷化鎵的晶錠重量早已達到300kg，太陽電瓶片的規格達到210×210mm2。到本世紀初，砷化鎵太陽電瓶的效率達到20.3%。在實際生產中，澆鑄砷化鎵太陽電瓶的最高效率也達到17.7％左右，接近直拉硅單晶硅太陽電瓶的光電轉換效率。
6、半導體太陽電瓶——非晶硅薄膜太陽電瓶
明日非晶硅薄膜太陽電瓶已發展成為實用廉價的太陽電瓶品種之一，具有相當的工業規模。世界上非晶硅太陽電瓶的總組件生產能力達到每年50MW以上，組件及相關產品的銷售額在10億港元以上。應用范圍小到腕表、計算器電源，大到10MW級的獨立電廠，對太陽能光伏的發展起了重要的促進作用。
和晶體硅相比，非晶硅薄膜具有制備工藝簡單、成本低和可大面積連續生產的優點。在太陽電瓶領域，其優點具體表現為：
（1）材料和制造工藝成本低。這是由于非晶硅薄膜太陽電瓶是制備在廉價的襯底材料上，如玻璃、不銹鋼、塑料等，其價位低廉；并且，非晶硅薄膜僅有數千埃長度，不足晶體硅電瓶長度的百分之一，這也大大增加了硅原材料的成本；進一步而言，非晶硅制備是在高溫進行，其沉積濕度為100℃~300℃，其實，規模生產的煤耗小，可以大幅度增加成本。
（2）便于產生大規模生產能力。
（3）多品種和多用途。
（4）易實現柔性電板。非晶硅可以制備在柔性的襯底上，但是它的硅網結構熱學性能特殊，因而，它可以制備成重型、柔性太陽電板，便于和建筑集成，以及各類日常用具。
然而，和晶體硅相比，非晶硅太陽電瓶的效率相對較低，在實驗室電瓶的穩定的最高轉換效率只有16％左右；在實際生產線上，效率不超過10％；并且，非晶硅太陽電瓶的光電轉化效率在太陽光的常年照射下有嚴重地衰減，到目前為止一直沒有根本解決。
另外，還有軍事和衛星用的化合物太陽能疊層電板。
7、半導體白光照明
1）發展半導體白光照明意義
氮化鎵發光管（LED）是一種高效長壽命的固態照明光源。白熾燈、熒光燈是目前面廣量大的傳統白光照明光源。白熾燈是一種熱光（亮度2800Ｋ），富含大量的紅外線，工作壽命短，發光效率低，而螢光燈則是一種冷光，高效率，但壽命短，有毒（含汞）。與傳統的白熾燈和螢光燈相比，氮化鎵發光管是一種具有容積小、重量輕、電抬高、效率高、壽命長等特征的固態照明冷光源，因而是一種節能、綠色照明光源。
氮化鎵LED目前早已用在許多場合：水景燈、交通燈、汽車車燈、大屏幕顯示燈。
能源是經濟、社會可持續發展不可缺乏的要素，節省能源、提高能效是可持續發展能源的重大戰略。據統計，全世界“照明”耗能約占總電功率的20％。因為LED高效發光，LED白光照明可節約大量的發電煤和歐盤使用量，全球每年可降低25億噸CO2排放量。因而，氮化鎵LED白光照明具有巨大的市場前景，將來成本和效率問題解決之后，可取代目前廣泛使用的白熾燈和螢光燈，引起一次白光照明技術革命。國際上把半導體照明光源中期目標（5-10年內）定為》100lm/W，2020年達到200lm/W或300lm/W，這樣就可取代傳統照明。
2）氮化鎵LED白光照明的技術途徑
眾所周知，由紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue）三基色可合成白光，如圖24所示。該圖為1931濁度圖，三角形中央實線區為白光區。氮化鎵LED通常只能發出一種顏色的光。白光照明也要通過RGB三基色的合成來實現。RGB三基色可以直接靠LED發射三基色光，也可用LED去迸發螢光物質，通過二次光轉換獲得三基色光或準三基色光。
所以，實現氮化鎵LED白光照明有兩種技術途徑：一種是借助氮化鎵發光晶閘管（LED）去迸發螢光物質轉換成白光，可稱作為“二次光轉換白光技術”；另一種是借助LED直接發射白光，可稱作為“直接發射白光技術”。
3）LED白光照明技術發展方向
（1）研究發展近紫外、深紫外LED元件，實現高顯色指數的“固體白光螢光燈”。這些白光技術具有顯色指數高（CRI》90）、轉換效率高（外量子效率43%），色調再現性高等特性，是一種較理想的白光源。
（2）研究發展III族胺類LED直接發射白光技術
（3）研究提升LED發光效率、光通量，發展功率型LED其元件
傳統白熾燈發光效率為16lm/W，螢光燈發光效率為85lm/W，因而，Ⅲ族胺類LED白光照明光源要取代白熾燈和螢光燈，其發光效率起碼要超過100lm/W，同時要增加成本。
8、光盤儲存和激光測距、激光復印、激光儀器
光碟儲存和激光測距、激光復印、激光儀器等是半導體激光器的另一重大應用領域。CD盤（只讀聲盤）、DVD（數值可視盤）所用的激光器波長分別為780nm和670nm、650nm，由激光器將信息“寫”入光碟或則從光碟上“讀”出聲音或光訊號。激光器的波長越短，光碟儲存密度就越高。波長為410nm的InGaN激光器可以將光碟的儲存量再提升一大步。波長為670-630nm的激光器已在許多場合代替了He－Ne激光器，在激光測距、激光復印、激光醫療儀器中得到了重要的應用。
9、半導體激光器的軍事應用
波長為808nm的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，取代了原先的氙燈激光器，取消了龐大的電源和冷卻系統，使固體激光器顯得高效率、小容積、高性能、長壽命、低成本，適宜于軍事應用，比如激光雷達和核爆燃模擬、核聚變研究。水下光傳播的窗口為590nm，藍紅光激光器的誕生為水下通訊開了綠燈。鵜鶘、飛機飛行過程中把握方向的光纖陀螺中最關鍵的元件是半導體超幅射發光晶閘管。
10、環境保護
大自然中，水汽、甲烷、氨氣、二氧化碳、一氧化碳、鹽酸、溴酸、硫化氫等二氧化碳的靈敏吸收峰在1.5-2.0mm范圍。或應變量子阱激光器的波長可達1.0-4.0mm范圍鍺與量子通訊，近些年來出現的量子級聯激光器的波長可達4.0-17mm。這種覆蓋了紅外－遠紅外范圍的各種激光，構成了大氣監控、監測的環保衛士。
三
半導體技術的未來發展
1、信息技術的革命
信息傳輸。信息量的爆燃式的降低，對信息通道的容量要求越來越大。在網上傳遞的除了是文字、而且還有音樂、圖像、電視訊號等；除了是有線，還須要無線；除了是洲際、國際、城際，但是須要局域網。因此須要發展新的通訊系統，如綜合業務數字網路（ISDN）以及多媒體技術等。
信息處理，包括文本處理、知識處理、圖像處理以及語言辨識、圖像辨識、智能化處理等。人工智能就是通過計算機實現了個別人的智能。諸如：理解和發出語言、識別圖象、作物理證明、下棋、音樂編曲、進行專業鑒別、醫學確診等。計算機將把人們從一部份日常的腦力勞動中解放下來，但是通過應用“思維工具”把人們的智慧擴大到原先不可想像的程度。
2、更高的集成度
世界集成電路主流工藝將經過：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納米工業化生產的4個發展階段。因此，就必須解決一系列的關鍵技術和專用設備，如：新型元件的研制（非傳統CMOS元件、新型儲存器、邏輯元件等），IC設計、封裝、和測試技術，新型光刻機、刻蝕機等配套設備等。
半導體元件的規格不能無限制地降低，假如元件規格小到電子的德波羅依波長（10納米），量子效應將會愈發顯著，這時須要設計完善在量子熱學原理基礎上的新型半導體元件。
3、半導體光電元件向更長和更長波長、更大功率、更高工作頻度的方向發展
大功率激光器列陣分準連續（QCW）元件與連續（CW）元件，它們不僅作固體激光器的泵浦源外，還可直接用作材料加工、醫療、儀器、敏感技術、印刷制版等，步入傳統中由非半導體激光器主宰的市場，取代二氧化碳、固體激光器。AlGaN/GaN異質結雙極晶體管具有線性好、電流容量大、閾值電壓均勻等優點，主要應用在線性度要求高、工作環境嚴苛的大功率微波系統中，如軍用雷達、通信等；還可應用于在嚴苛環境下工作的智能機器人等系統中。
4、集成光學和集成光電子學
由集成在半導體薄膜上的激光器、調制器、波導、光柵、棱鏡和其它無源光學器件構成的系統稱作集成光學系統。集成光學系統用光互連取代電互連，在計算機和通訊系統中具有通帶寬、信息量大、損耗小、速度快、能并行處理、抗電磁干擾等優點。硅材料的成本低廉、工藝成熟，在微電子元件中得到廣泛應用。并且因為它是間接帶隙材料，不能作發光元件。目前科學家們正在解決光源的問題，便于在硅材料上做到光電集成。
5、半導體超晶格和量子線、量子點元件
半導體超晶格、量子線、量子點是低維結構，它們具有一些特殊的化學性質，如量子限制效應和電子運動的二維或一維特點，可以制成一些性能優異的元件，如：激光器、高電子遷移率元件、光雙穩元件、共振隧穿元件等。當元件的規格、維度進一步降低，致使電子運動的平均自由程小于元件的規格時，電子在運動過程上將不受雜質、晶格震動等的散射，而作一種相干波運動。借助這種特性預計可制造出超高速、超低電能的電子元件。諸如量子點單電子晶體管將使動態隨機儲存器（DRAM）的幀率大大減低。
6、半導體量子信息元件
目前的工藝早已能在半導體量子點上形成和偵測單個光子，促使半導體量子點成為實現量子信息處理（量子估算、量子通訊）最有希望的固體元件。量子信息科學技術的迅速發展，為精密檢測、量子估算和保密通信等領域都提供了全新的革命性的理論和實驗技巧。量子信息最關鍵的是借助光子的相干性。光子作為量子理論中最基本的量子化實體，就能很容易地實現搜集、傳遞、復制、存儲和處理信息的全過程，具有作為量子通信、量子估算載體的奇特的先天優勢。因而基于光子過程的量子信息處理元件是各類量子信息工程的基礎，它的基本原理研究和制備必定為估算科學和通信能力帶來飛躍式的發展。
7、自旋電子元件
目前微電子元件是應用自旋電荷攜帶信息。假如一種材料能同時借助自旋的電荷和載流子屬性作為信息的載體，將可以制造出具有非揮發、低幀率、高速和高集成度的優點的元件，甚至有可能導致電子信息科學重大的改革。摻磁性離子的稀磁半導體及載流子電子學（）即應此要求而生。實驗發覺，半導體中載流子相干時間已然達到ns量級，遠遠超過電荷的相干時間，喻示著載流子電子學在未來量子估算和量子通訊中的重要應用前景。實現載流子為基的量子計算機的主要困難是精確控制和保持載流子相干，因而怎樣形成載流子相干電子態，以及減少載流子退相干有許多數學問題須要研究和解決。