深度分析半導(dǎo)體材料及異質(zhì)結(jié)器件

半導(dǎo)體材料與器件在當(dāng)代信息社會(huì)中扮演著核心角色，相關(guān)產(chǎn)品幾乎滲透了人類生活的各個(gè)角落。

1引言

讓我們將時(shí)間回溯到20 世紀(jì)30 年代，雖然半導(dǎo)體相關(guān)現(xiàn)象早有零星發(fā)現(xiàn)，但不少科學(xué)家仍對(duì)半導(dǎo)體的概念持懷疑態(tài)度。天才物理學(xué)家泡利一貫以尖銳且富有遠(yuǎn)見(jiàn)的批評(píng)聞名，他曾說(shuō)：“人們不應(yīng)該去從事半導(dǎo)體研究，那里亂成一團(tuán)，天知道半導(dǎo)體是否真實(shí)存在”。令人難以想象的是，隨著科學(xué)和技術(shù)爆炸式地進(jìn)步發(fā)展，如今人類已經(jīng)大步邁入信息社會(huì)，半導(dǎo)體相關(guān)的各種產(chǎn)品成為人們學(xué)習(xí)、工作和相互溝通中不可或缺的工具。一些產(chǎn)品如智能手機(jī)等，由于幾乎時(shí)刻不離身，甚至被戲稱為人類的“外生器官”。

半導(dǎo)體不僅在實(shí)際應(yīng)用中大放光彩，極大便利了人類生活，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域也備受重視并斬獲頗豐。從諾貝爾獎(jiǎng)的頒發(fā)歷史可以看出一些端倪——諾貝爾獎(jiǎng)設(shè)立至今120 余年，與半導(dǎo)體相關(guān)的獲獎(jiǎng)?wù)呔陀?0 人以上！細(xì)數(shù)之下，相關(guān)獲獎(jiǎng)工作大多集中在近50 年間，更是對(duì)半導(dǎo)體科技成就的莫大肯定。泡利的上述斷言成為他著名的三大失誤之一(另兩個(gè)分別與電子自旋及弱相互作用中的宇稱不守恒相關(guān))，為半導(dǎo)體科技的成功增加了一層傳奇色彩。

即便如此，似乎相當(dāng)一部分人樂(lè)意就集成電路芯片發(fā)表高見(jiàn)，卻對(duì)半導(dǎo)體科技一知半解，這要?dú)w因于半導(dǎo)體科學(xué)具有相對(duì)較高的認(rèn)知門(mén)檻。是的，沒(méi)有量子力學(xué)和固體物理知識(shí)的輔助很難理解能帶理論中“帶隙”的概念，也就無(wú)法從本質(zhì)上區(qū)分半導(dǎo)體與金屬和絕緣體的異同。不過(guò)沒(méi)關(guān)系，大家僅從半導(dǎo)體的字面意思去理解其概念也能夠掌握它的主要特點(diǎn)——半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料，其電導(dǎo)率橫跨范圍之廣，甚至高達(dá)13 個(gè)數(shù)量級(jí)！神奇的是，半導(dǎo)體電導(dǎo)率的數(shù)量級(jí)變化能夠通過(guò)輕微改變雜質(zhì)的摻雜含量進(jìn)行有效控制，而雜質(zhì)濃度通常還不到宿主材料原子濃度的萬(wàn)分之一！毫無(wú)疑問(wèn)，半導(dǎo)體對(duì)雜質(zhì)的高敏特性是一柄雙刃劍，無(wú)怪乎泡利當(dāng)年會(huì)給出略顯抱怨的評(píng)價(jià)——畢竟在材料制備技術(shù)遠(yuǎn)未能精確控制雜質(zhì)濃度的情況下，各個(gè)實(shí)驗(yàn)室乃至同一實(shí)驗(yàn)室在不同時(shí)間段獲得大相徑庭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也就不足為奇了。

不難想象，八十多年來(lái)半導(dǎo)體科技的迅猛發(fā)展以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速崛起，離不開(kāi)科學(xué)家們?cè)跓o(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)中摸索并建立起來(lái)的半導(dǎo)體理論和技術(shù)，進(jìn)而強(qiáng)力推動(dòng)了材料生長(zhǎng)和各種微納加工技術(shù)等的進(jìn)步。相關(guān)制造加工技術(shù)反過(guò)來(lái)也極大地促進(jìn)了半導(dǎo)體科技的發(fā)展，形成正反饋，使我們得以享受信息社會(huì)的各種便利。毋庸置疑，物性可控的半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體科技發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，本文也將從半導(dǎo)體材料開(kāi)始，逐步展開(kāi)對(duì)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的描述。

2半導(dǎo)體材料

隨著人們對(duì)各種功能性材料的要求越來(lái)越高，對(duì)新型半導(dǎo)體材料的渴求與探索使得半導(dǎo)體材料家族迅速擴(kuò)張。迄今為止，已知的半導(dǎo)體材料不下千種。起初，人們主要著眼于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的研究，并大致將主流半導(dǎo)體材料劃分為三代：(1)第一代半導(dǎo)體以IV 族材料Ge 和Si 為代表，也稱為“元素半導(dǎo)體”，主要應(yīng)用于大規(guī)模集成電路中，實(shí)現(xiàn)邏輯和算術(shù)運(yùn)算功能；(2)第二代半導(dǎo)體主要指以GaAs和InP 等為代表的化合物半導(dǎo)體，由于它們具有較高的發(fā)光效率和電子遷移率，在光電子器件、微波器件及高遷移率晶體管領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用；(3)第三代半導(dǎo)體是以GaN和SiC 等為代表的寬禁帶半導(dǎo)體，在高功率電子器件和短波長(zhǎng)半導(dǎo)體照明領(lǐng)域扮演關(guān)鍵角色，相較前兩代半導(dǎo)體材料可在更高溫度下穩(wěn)定工作，成為近年來(lái)半導(dǎo)體科技攻關(guān)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

仔細(xì)想來(lái)，上述分類方式實(shí)際上暗含了評(píng)價(jià)半導(dǎo)體材料的幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，它們都與能帶理論緊密相關(guān)。為方便理解，圖1 給出了Si 和GaAs的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，即電子能量與波矢(準(zhǔn)動(dòng)量)的關(guān)系曲線?？梢钥吹诫娮幽芰烤谷粺o(wú)法在某一特定區(qū)域內(nèi)取值！這塊電子禁入能量區(qū)被稱為半導(dǎo)體的“禁帶”，其寬度即為半導(dǎo)體的“帶隙”。以此為界，其上部區(qū)域稱為“導(dǎo)帶”，而下部區(qū)域稱為“價(jià)帶”。首先需要關(guān)注材料是“間接”還是“直接”帶隙半導(dǎo)體，前者是指導(dǎo)帶最低點(diǎn)(CBM) 和價(jià)帶最高點(diǎn)(VBM)所對(duì)應(yīng)的波矢值不同，后者則反之。間接帶隙半導(dǎo)體中的載流子躍遷往往需要借助于“聲子”(聲子反映了晶格振動(dòng)的相關(guān)特性)，因此發(fā)光效率較低。第二個(gè)指標(biāo)是載流子的遷移率(表征了載流子在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的加速能力)，該數(shù)值與其有效質(zhì)量密切關(guān)聯(lián)，由能帶中某點(diǎn)處的曲率決定。第三是帶隙的大小，這是因?yàn)閹稊?shù)值不僅決定了光電探測(cè)與發(fā)光器件適用的波長(zhǎng)范圍，還部分標(biāo)度了材料抵抗熱擾動(dòng)的能力(或器件的工作溫度)。Si 和Ge 是間接帶隙半導(dǎo)體，雖然可以為半導(dǎo)體邏輯和存儲(chǔ)器件服務(wù)，在光電器件研發(fā)領(lǐng)域卻只能讓位于GaAs 等材料，而人們對(duì)大功率電力電子器件和高頻可見(jiàn)光器件的需求則推動(dòng)了GaN等寬禁帶半導(dǎo)體的研發(fā)。

圖1 (a)間接帶隙半導(dǎo)體Si 和(b)直接帶隙半導(dǎo)體GaAs的能帶結(jié)構(gòu)示意圖

需要指出的是，半導(dǎo)體材料不同代之間的劃分僅僅描述了人們對(duì)半導(dǎo)體材料需求隨時(shí)間的不斷演進(jìn)，并不意味著第一和第二代半導(dǎo)體已經(jīng)退出歷史舞臺(tái)。實(shí)際上，第一代半導(dǎo)體Si 材料仍然占據(jù)半導(dǎo)體市場(chǎng)的絕大部分，不同材料共存更多是因?yàn)樗鼈冊(cè)诠δ軐?shí)現(xiàn)上能起到互補(bǔ)作用。

雖然無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料已經(jīng)將很多夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，但人類始終沒(méi)有停下探索半導(dǎo)體新材料的步伐。特別是當(dāng)有機(jī)半導(dǎo)體聚乙炔分子被發(fā)現(xiàn)之后，追求器件柔性、逼真色彩和環(huán)境親和性的大眾似乎看到了實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想的捷徑，有機(jī)半導(dǎo)體的研究也如火如荼地開(kāi)展起來(lái)了。典型的有機(jī)半導(dǎo)體材料包括富勒烯(C60)、并五苯和三亞苯等。如今，“人造皮膚”、“柔性顯示屏”、“智能繃帶”、“電子墻紙”和“可穿戴電子設(shè)備”等白熱化的概念逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，更進(jìn)一步拓展了半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍。近年來(lái)，基于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的有機(jī)太陽(yáng)能電池展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，吹響了有機(jī)半導(dǎo)體進(jìn)軍光伏領(lǐng)域的號(hào)角。

盡管半導(dǎo)體材料種類日漸豐富，但這種橫向的擴(kuò)張并未增強(qiáng)人們獲得穩(wěn)定單原子層半導(dǎo)體材料的信心。好在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的俄裔科學(xué)家Geim 及Novoselov 等不偏信傳統(tǒng)認(rèn)知，默默耕耘，終于在2004 年一鳴驚人，通過(guò)大巧若拙的“手撕”方法獲得了單層碳原子組成的石墨烯材料，開(kāi)創(chuàng)了二維材料新領(lǐng)域。雖然石墨烯由于其“零帶隙”特征而難以作為半導(dǎo)體溝道材料應(yīng)用在晶體管中(相關(guān)概念的介紹詳見(jiàn)后文)，但它卻拉開(kāi)了二維半導(dǎo)體材料的研究序幕，各種由單層或少數(shù)層原子組成的半導(dǎo)體材料不斷涌現(xiàn)，至今仍是材料領(lǐng)域研究的大熱門(mén)。這類材料的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，且不說(shuō)薄、柔性與種類繁多等特點(diǎn)，單就其直觀的原子級(jí)操控而言，就契合大眾對(duì)科學(xué)發(fā)展的期望，同時(shí)成功變身為科研人員的“原子積木玩具”。二維半導(dǎo)體材料大致包括以下幾類：(1)各種“烯類”材料，如硼烯、硅烯和錫烯等，在高速電子器件和柔性器件等方面有潛在應(yīng)用；(2)過(guò)渡金屬硫族化合物，包括帶隙適中的MoS2和WS2等，可用于制備“輕量級(jí)”的柔性晶體管和激光器等；(3)碳化物，典型代表有Ti3C2和Ta4C3等，是較理想的儲(chǔ)能材料；(4)氮化物，包括寬帶隙的BN等，是構(gòu)造二維材料異質(zhì)結(jié)中理想的勢(shì)壘層，也常充當(dāng)絕緣隔離層的角色。當(dāng)然，還有許多其他二維層狀材料也正快速進(jìn)入科學(xué)家們的實(shí)驗(yàn)室，如黑磷和有機(jī)二維材料等，有望在光電器件和生物傳感方面獨(dú)辟一片天地。此外，一度占據(jù)研究前沿的碳基材料還包括碳納米管等，相關(guān)研究結(jié)果引人入勝、層出不窮，具體可參見(jiàn)文末列出的綜述文章。

上面的討論是在默認(rèn)半導(dǎo)體材料為單晶材料的前提下進(jìn)行的，實(shí)際上多晶和非晶半導(dǎo)體也在某些場(chǎng)合發(fā)揮著自身的優(yōu)勢(shì)。例如，多晶硅不僅可以作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的柵極，還能用于制作太陽(yáng)能電池，而利用非晶材料制作光伏器件的研究也取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。

3半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)器件

半導(dǎo)體材料世界固然有趣，但難道僅憑其導(dǎo)電能力秉承中國(guó)古人奉行的“中庸之道”，便可魔法般用于各種功能器件的制造嗎？這么說(shuō)自然形象易懂，卻不免絕對(duì)和片面。實(shí)際上，要理解半導(dǎo)體器件的基本工作原理，讀者們首先需要耐心地分析總結(jié)半導(dǎo)體材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本物理性質(zhì)。

若說(shuō)雜質(zhì)敏感性是半導(dǎo)體的第一屬性，估計(jì)大多數(shù)人都能接受——前輩英才們未明其理而深受其害，當(dāng)代豪杰們則掌控自如信手拈來(lái)。與此同時(shí)，另一個(gè)重要事實(shí)也不能忽略：半導(dǎo)體的載流子濃度相對(duì)金屬材料通常低三個(gè)數(shù)量級(jí)以上！正是這個(gè)半導(dǎo)體的第二屬性直接盤(pán)活了半導(dǎo)體的世界，使其在光、電、磁和熱等各種物理場(chǎng)施加的外部激勵(lì)下，響應(yīng)靈敏。進(jìn)而，各種衍生的次級(jí)特性，如光敏性、電敏性和熱敏性等就成為了半導(dǎo)體的標(biāo)簽。此外，半導(dǎo)體中的載流子也不再如金屬僅有電子般單調(diào)，帶正電的空穴開(kāi)始露面，于是便有了p 型(載流子為受主雜質(zhì)提供的空穴)和n 型(載流子為施主雜質(zhì)提供的電子)半導(dǎo)體之分。人類很快就完成了一系列技術(shù)革新，掌握了精細(xì)調(diào)控載流子濃度和類型的摻雜手段?；谶@兩種具有不同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料，功能各異的半導(dǎo)體器件粉墨登場(chǎng)，所做的事情其實(shí)不難——讓p 型和n 型半導(dǎo)體相互接觸。若將一種材料分別摻雜成p 型和n 型兩部分，得到的是同質(zhì)結(jié)；若p 型和n 型半導(dǎo)體所用材料不同，則稱為異質(zhì)結(jié)。

不論是同質(zhì)結(jié)還是異質(zhì)結(jié)，它們的基本器件原理都是類似的，區(qū)別在于異質(zhì)結(jié)中有更多的變化和更豐富的構(gòu)造可能。圖2 是突變型pn 結(jié)中載流子的分布示意圖，可以看到，在p 型和n 型半導(dǎo)體界面附近有空間電荷區(qū)(由帶電的施主或受主雜質(zhì)構(gòu)成)。這是由于載流子傾向于往低能量方向流動(dòng)并聚集，直至空間電荷區(qū)中的內(nèi)建電場(chǎng)大到將p 型和n 型半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級(jí)拉平為止。載流子承載著流動(dòng)的電荷，它們的流失使得自由電荷難以進(jìn)入空間電荷區(qū)。如此一來(lái)，空間電荷區(qū)雖有電荷之名卻施行著阻礙自由電荷流動(dòng)的行當(dāng)，似乎稱之為載流子耗盡區(qū)才不至于誤導(dǎo)視聽(tīng)。需要指出的是，存在耗盡區(qū)是半導(dǎo)體的典型特征之一，是幾乎所有半導(dǎo)體器件的基本要素，其重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)。例如，pn 結(jié)不僅是兩端器件半導(dǎo)體二極管的核心，實(shí)現(xiàn)了整流、穩(wěn)壓、發(fā)光、探測(cè)和儲(chǔ)能等功能，也是三端器件如結(jié)型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管及浮柵晶體管的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)了邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)字成像等功能。

圖2 突變型pn 結(jié)中空間電荷區(qū)及載流子分布示意圖

耗盡區(qū)的寬度可通過(guò)外加電壓進(jìn)行調(diào)控，p型半導(dǎo)體為電源正極時(shí)稱為正向偏置，空間電荷區(qū)變窄，電流較大；反之則為反向偏置，空間電荷區(qū)變寬，電流較小乃至接近于零。正是由于pn結(jié)對(duì)外部電壓響應(yīng)的不對(duì)稱性，使其具有單向?qū)ㄌ匦裕瑢?shí)現(xiàn)了二極管最基本的整流功能。

深入分析可知，正向偏置電壓使耗盡區(qū)變窄的過(guò)程伴隨著過(guò)剩載流子的注入，此時(shí)導(dǎo)帶中非平衡的電子與價(jià)帶中非平衡的空穴可能會(huì)發(fā)生復(fù)合。復(fù)合的種類與具體形式很多也相對(duì)復(fù)雜，此處不細(xì)致展開(kāi)。較受關(guān)注的是輻射復(fù)合，即電子與空穴復(fù)合之后會(huì)發(fā)出能量與帶隙相近的光，相應(yīng)的器件稱為發(fā)光二極管(LED)。利用具有不同帶隙寬度的半導(dǎo)體材料，發(fā)光二極管的發(fā)光范圍得到了有效擴(kuò)展，得以大量應(yīng)用在信號(hào)控制、顯示和照明等領(lǐng)域。當(dāng)然，由于半導(dǎo)體中電荷輸運(yùn)過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，要考慮的因素(如載流子的限制、遷移率的提高和能量轉(zhuǎn)化效率的提升等)很多，因此實(shí)際使用中各種兩端型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)器件的核心結(jié)構(gòu)通常是pn 結(jié)的變種。例如，為了提高光電二極管的響應(yīng)速度，往往在p 型和n 型半導(dǎo)體中加入一層本征半導(dǎo)體，形成所謂的p-i-n 二極管。通過(guò)不同材料的組合構(gòu)成二極管異質(zhì)結(jié)構(gòu)，還可以制備出諸多功能各異的半導(dǎo)體器件，如太陽(yáng)能電池、激光二極管和微波器件等。

如果說(shuō)二極管使人們意識(shí)到半導(dǎo)體器件的巨大應(yīng)用潛力，那么場(chǎng)效應(yīng)晶體管則不僅真正兌現(xiàn)了這一潛力，還奠定了半導(dǎo)體器件在信息技術(shù)中的統(tǒng)治地位。作為半導(dǎo)體集成電路的核心部件，晶體管的主要功能便是實(shí)現(xiàn)電荷的可控操作，包括電信號(hào)的放大、電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移等。晶體管與二極管最大的不同點(diǎn)在于引入了第三個(gè)電極——柵極，其目的是控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，亦即半導(dǎo)體導(dǎo)電溝道的通斷。柵極通常也被稱為“門(mén)電極”，形象地反映了它在晶體管中控制載流子通行的開(kāi)關(guān)作用。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括結(jié)型和金屬—氧化物—半導(dǎo)體型(MOS)，它們都包含兩個(gè)背靠背的pn結(jié)。圖3(a)示出了MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)圖，其中，三個(gè)電極引出端分別是柵極、源極和漏極。柵極與半導(dǎo)體溝道通過(guò)絕緣電介質(zhì)隔離，在柵極和源極(或漏極)兩端施加電壓能夠積累或耗盡半導(dǎo)體中的載流子，從而實(shí)現(xiàn)源極和漏極間電流信號(hào)的控制?？山普J(rèn)為柵壓調(diào)控方法僅涉及電容的充放電過(guò)程，它有效降低了晶體管在開(kāi)關(guān)狀態(tài)間轉(zhuǎn)換所需的能耗。晶體管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)可用于二進(jìn)制中0 和1 的表達(dá)，多個(gè)晶體管間通過(guò)三個(gè)電極相互連接能夠形成多種功能器件，促使晶體管幾乎出現(xiàn)在任何一個(gè)電子產(chǎn)品中：它能實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算操作，耳熟能詳?shù)闹醒?a target="_blank">處理器芯片(CPU)即為最典型的例證；它能與簡(jiǎn)單的電容器件結(jié)合實(shí)現(xiàn)兼具容量和速度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，代表性產(chǎn)品包括動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)；它憑一己之力便能實(shí)現(xiàn)非易失(即斷電數(shù)據(jù)不丟失)存儲(chǔ)，只是需要增加一個(gè)被絕緣介質(zhì)包圍的懸空柵電極(稱為浮柵，圖3(b))，固態(tài)硬盤(pán)的風(fēng)靡就是最佳證明；它還能基于電子對(duì)光的響應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)數(shù)字成像，相機(jī)以及攝像頭中的電荷耦合器件(CCD)便是其完美代言。毫不夸張地說(shuō)，晶體管是當(dāng)今大多數(shù)半導(dǎo)體器件的核心要素，因此如何有效地減小晶體管的特征尺寸進(jìn)而降低功耗并提高密度順理成章地成為了半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的研究主題。正是充分認(rèn)識(shí)并把握住了這一點(diǎn)，在半導(dǎo)體工藝制程上始終獨(dú)占鰲頭的臺(tái)積電和三星等公司才能長(zhǎng)期受到大型芯片設(shè)計(jì)公司的青睞，而英特爾公司則成為了桌面/服務(wù)器端CPU 芯片產(chǎn)業(yè)的獨(dú)角獸。

圖3 (a)普通及(b)浮柵MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖

篇幅所限，本節(jié)僅簡(jiǎn)要描述了二極管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本原理和代表性應(yīng)用，深入到細(xì)節(jié)必將展開(kāi)一幅精美而震撼人心的畫(huà)卷，例如江崎二極管的發(fā)明、藍(lán)光二極管的實(shí)現(xiàn)、量子級(jí)聯(lián)激光器的構(gòu)想和量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)等，不一而足。對(duì)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)器件、物理及相關(guān)應(yīng)用感興趣的讀者，建議可參閱文末相關(guān)文獻(xiàn)[3—6，46]。

4半導(dǎo)體自旋電子器件

縱觀半導(dǎo)體的發(fā)展歷史，幾乎都是圍繞控制電子電荷在材料中的分布做文章。半導(dǎo)體廠商專注于器件特征尺寸的縮小，以求減少電子所需跨越的距離，進(jìn)而不斷提高器件密度(或集成度)和響應(yīng)速度，同時(shí)降低單個(gè)器件所需功耗，取得了巨大成功。以英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人命名的摩爾定律指出，集成電路中晶體管的密度大約每隔18 個(gè)月便會(huì)增加一倍(該定律有過(guò)幾次修正，此處僅闡述其核心思想)，這在過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)里得到了印證。然而，當(dāng)今晶體管器件的特征尺寸已進(jìn)入納米量級(jí)，量子效應(yīng)開(kāi)始顯現(xiàn)，摩爾定律逐漸失效。早期，人們努力嘗試在已有的框架內(nèi)解決問(wèn)題，例如針對(duì)電子隧穿效應(yīng)等導(dǎo)致的漏電流問(wèn)題，可以利用高k 介質(zhì)和鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Fin-FET)結(jié)構(gòu)在一定程度上進(jìn)行解決。但是通過(guò)縮減器件尺寸提高性能的方法即將觸碰其上限，探索新的器件原理似乎不可避免。

讓我們重新審視信息技術(shù)的關(guān)鍵要素，雖然半導(dǎo)體在信息的處理(CPU 和GPU 等各種處理器芯片)、存儲(chǔ)(內(nèi)存DRAM和閃存flash 等半導(dǎo)體存儲(chǔ)器)、轉(zhuǎn)換(各種光電器件如電荷耦合器件CCD等)和傳輸(半導(dǎo)體激光器等)都起到至關(guān)重要的作用，但海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)一直都是以磁性材料為核心。這是因?yàn)榇判源鎯?chǔ)同時(shí)具有非易失、長(zhǎng)壽命和大容量等綜合優(yōu)勢(shì)，即使讀寫(xiě)速度較慢且尚缺少隨機(jī)存取功能，但在日益強(qiáng)調(diào)能源節(jié)約、數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間保存能力和讀寫(xiě)壽命的當(dāng)代，磁性存儲(chǔ)相對(duì)于半導(dǎo)體存儲(chǔ)仍然是數(shù)據(jù)需要長(zhǎng)久斷電保存時(shí)的首選。隨著高速讀寫(xiě)和隨機(jī)存取功能在磁性存儲(chǔ)原型器件得到成功演示并不斷改進(jìn)，磁性材料和器件展現(xiàn)出了更大的可能性。一般而言，宏觀磁性的微觀對(duì)應(yīng)是電子的自旋(電子軌道運(yùn)動(dòng)對(duì)宏觀磁性的貢獻(xiàn)通常較小)，是完全獨(dú)立于電子電荷屬性的另一個(gè)自由度。很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，電子的這兩個(gè)自由度就似兩條平行線般毫無(wú)交集，各行其是。那么，若在單一器件中綜合利用電子的自旋與電荷屬性，各取所長(zhǎng)，是否有可能突破現(xiàn)有器件原理框架的限制呢？基于這個(gè)想法，科學(xué)家們開(kāi)辟了半導(dǎo)體自旋電子學(xué)領(lǐng)域，期望利用自旋(輔以電荷)同時(shí)實(shí)現(xiàn)邏輯和存儲(chǔ)等功能，頗有點(diǎn)大破大立的味道。

自旋的引入極大地豐富了半導(dǎo)體器件的類型，原則上可以依葫蘆畫(huà)瓢，根據(jù)半導(dǎo)體電荷器件設(shè)計(jì)出相應(yīng)的半導(dǎo)體自旋器件。理想的畫(huà)面固然很美，大多數(shù)半導(dǎo)體都不具有凈自旋(或宏觀磁性)的現(xiàn)實(shí)卻異常冰冷。盡管少數(shù)半導(dǎo)體如巖鹽結(jié)構(gòu)的EuO和EuS 等占盡4f 電子殼層未滿的便利而天然具有磁性，但這些材料不僅難以兼容主流半導(dǎo)體，還存在居里溫度較低等問(wèn)題。

顯然，為了充分利用主流半導(dǎo)體的優(yōu)越特性，人們需要解決的首要問(wèn)題便是將凈自旋引入這些半導(dǎo)體材料。要將磁性材料變?yōu)榘雽?dǎo)體似乎很難，但要讓半導(dǎo)體擁有磁性卻十分自然——就像舊時(shí)人們?cè)诎雽?dǎo)體中增加電荷一般摻雜即可！稍有不同的是，此時(shí)摻雜的佐料需要是帶有多余自旋(而非電荷)的磁性元素，如3d 過(guò)渡族金屬元素Cr和Mn等。20世紀(jì)70年代，人們首先在II—VI族半導(dǎo)體中取得了成功，獲得了所謂的II—VI 族磁性半導(dǎo)體，包括閃鋅礦結(jié)構(gòu)的(Zn，Mn)Se 和(Cd，Mn)Te 等。其中，與II 族元素等價(jià)替換的Mn元素有較高的溶解度，可以提供數(shù)量可觀的局域磁矩。利用II—VI 族磁性半導(dǎo)體較強(qiáng)的法拉第效應(yīng)，它們已經(jīng)被成功地應(yīng)用在光隔離器中。這類材料的缺點(diǎn)是很難通過(guò)摻雜改變導(dǎo)電類型和載流子濃度，同時(shí)磁性較為復(fù)雜，進(jìn)而極大地限制了其應(yīng)用范圍。等價(jià)磁性元素的摻雜之路行不通，自然要換個(gè)非等價(jià)的宿主材料研究一番，但少量摻雜通常很難獲得長(zhǎng)程鐵磁序。這是由于宏觀磁性的建立通常依賴于短程交換相互作用，而磁性元素在半導(dǎo)體中的平衡溶解度通常低于1%，從這個(gè)角度上看，自旋的摻雜比電荷摻雜要困難得多。好在乘著半導(dǎo)體科技發(fā)展的東風(fēng)，半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)已經(jīng)得到了極大提升，利用非平衡的分子束外延技術(shù)可以大幅提高半導(dǎo)體中磁性元素含量到10%的量級(jí)，III—V族磁性半導(dǎo)體(In， Mn)As 和(Ga， Mn)As 成功面世。與II—VI 族材料不同，替代III 族元素的Mn 原子不僅能提供局域磁矩，還能作為受主提供空穴載流子，其晶體結(jié)構(gòu)及元素占位情況如圖4(a)所示。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和理論證明這類材料的長(zhǎng)程鐵磁序是由載流子為媒介誘導(dǎo)產(chǎn)生的，從而將二者直接關(guān)聯(lián)起來(lái)——這意味著只需簡(jiǎn)單照搬傳統(tǒng)半導(dǎo)體中調(diào)控電荷的手段便可同時(shí)影響其自旋相關(guān)性質(zhì)(器件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4(b))！

圖4 (a)磁性半導(dǎo)體(Ga，Mn)As的晶體結(jié)構(gòu)示意圖；(b)基于(Ga，Mn)As薄膜的電控磁效應(yīng)器件結(jié)構(gòu)示意圖

部分解決了材料問(wèn)題，相應(yīng)的半導(dǎo)體自旋電子功能器件便如期而至，包括基于III—V族磁性半導(dǎo)體特別是(Ga，Mn)As 薄膜的自旋發(fā)光二極管、自旋注入、全半導(dǎo)體磁性隧道結(jié)及磁性的電場(chǎng)和電流調(diào)控器件等。之所以說(shuō)部分解決材料問(wèn)題，是因?yàn)槟壳癐II—V族磁性半導(dǎo)體的最高居里溫度是(Ga，Mn)As 中的200 K，仍然低于室溫。盡管如此，III—V族磁性半導(dǎo)體還是很好地扮演了探索自旋相關(guān)物理效應(yīng)的理想材料平臺(tái)這一角色，許多在(Ga，Mn)As 等磁性半導(dǎo)體中首次觀測(cè)到的新奇物理效應(yīng)如隧穿各向異性磁電阻效應(yīng)、內(nèi)稟反?；魻栃?yīng)和自旋軌道矩效應(yīng)等都迅速地被應(yīng)用到了金屬自旋電子學(xué)中，完成了初期使命。此外，磁性半導(dǎo)體的研究觸角還延伸到了IV 族半導(dǎo)體和氧化物半導(dǎo)體等，其間故事亦是精彩紛呈。更有甚者，常見(jiàn)于超導(dǎo)研究的BaZn2As2等材料也被創(chuàng)造性地用于研究電荷與自旋分離的磁性半導(dǎo)體，帶來(lái)了新的研究視角?？梢灶A(yù)見(jiàn)，一旦居里溫度較低等關(guān)鍵瓶頸取得突破，基于磁性半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)功能器件必將有更廣泛的用武之地！

半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的研究?jī)?nèi)容還包括磁性金屬/半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)以及非磁性半導(dǎo)體量子阱和納米結(jié)構(gòu)中的自旋相關(guān)現(xiàn)象等，物理內(nèi)涵十分豐富，研究目標(biāo)如自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管的實(shí)現(xiàn)等亦十分宏大。但限于篇幅，本節(jié)內(nèi)容便止步于此，期望能讓讀者窺一斑而知全豹，更為全面的介紹可詳閱文末提供的綜述文章[62，63]。

5半導(dǎo)體低維納米結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件不僅服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防軍工等諸多領(lǐng)域，同時(shí)也促進(jìn)了許多新物理效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。例如，整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)最早分別是在Si 基MOS晶體管和(Al，Ga)As/GaAs二維電子氣中發(fā)現(xiàn)的，而量子自旋霍爾效應(yīng)則是在CdTe/HgTe 異質(zhì)結(jié)中得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)。這些新奇的物理效應(yīng)由于展現(xiàn)出自然之美而深深吸引人們，它們的發(fā)現(xiàn)同時(shí)也蘊(yùn)含了人類對(duì)于高性能、低能耗甚至無(wú)能耗電子器件的不懈追求。

在沿用已有計(jì)算架構(gòu)的前提下，進(jìn)一步提升計(jì)算能力的關(guān)鍵是突破單個(gè)器件的性能瓶頸。前面提到，將半導(dǎo)體溝道制作成為超薄魚(yú)鰭形狀并將柵電極覆蓋其上便可以有效提高柵控能力，相應(yīng)的FinFET 亦成為晶體管發(fā)展的里程碑事件之一，其典型結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。自然地，若將FinFET 采用的柵電極“三面夾擊”思想發(fā)揮到極致——制作出環(huán)柵晶體管，便能最大程度利用柵控能力從而降低漏電流，有望把晶體管的特征尺寸推向極限。不難想象，此時(shí)半導(dǎo)體溝道材料將變?yōu)橐痪S納米線的形式，絕緣電介質(zhì)和柵極材料將納米線依次包裹在內(nèi)，如圖5(b)所示。顯然，理想的半導(dǎo)體納米線溝道需要具備載流子遷移率高、直徑較小和摻雜可控等特性，這些性質(zhì)是最終獲得具有低亞閾值擺幅、高開(kāi)關(guān)比的高頻晶體管的必要條件。窄禁帶III—V 族半導(dǎo)體InAs 和InSb 電子遷移率分別高達(dá)3.3×104cm2V-1s-1和7.7×104cm2V-1s-1，InAs 和InSb 納米線是較為理想的候選材料，我們近期的實(shí)驗(yàn)還表明，利用分子束外延技術(shù)能夠可控地生長(zhǎng)出直徑約為10 nm的純相超細(xì)InAs 納米線，開(kāi)關(guān)比高達(dá)108。

圖5 (a)FinFET典型結(jié)構(gòu)示意圖；(b)納米線的環(huán)柵晶體管結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)然，對(duì)新型計(jì)算原理與框架的研究也早已提上日程，其代表性方案便是如今炙手可熱的量子計(jì)算。量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)首先有賴于量子比特的構(gòu)建，相應(yīng)的物質(zhì)載體包括冷原子、超導(dǎo)體、離子阱、金剛石氮空位中心及半導(dǎo)體量子點(diǎn)等體系。其中，半導(dǎo)體基的量子比特由于其電學(xué)可調(diào)且易與當(dāng)代成熟的電子技術(shù)兼容尤為引人關(guān)注。然而，存儲(chǔ)在量子比特中的信息極易受到周?chē)h(huán)境的影響而出錯(cuò)甚至丟失。因此，物理學(xué)家們一直在尋找一種容錯(cuò)能力強(qiáng)的量子比特設(shè)計(jì)方案?；贛ajorana 費(fèi)米子的容錯(cuò)拓?fù)淞孔佑?jì)算是近年來(lái)被提出并得到普遍認(rèn)可的一種解決方案。Majorana 費(fèi)米子的反粒子即是自己本身，它是一種獨(dú)特的無(wú)電荷且自旋為1/2 的粒子?；贛ajorana 費(fèi)米子構(gòu)建量子比特有如下優(yōu)勢(shì)：(1)Majorana 費(fèi)米子滿足non-Abelian 統(tǒng)計(jì)規(guī)律，即操作粒子的結(jié)果與操作的先后順序有關(guān)，這為設(shè)計(jì)新概念的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)提供了重要途徑；(2)Majorana 束縛態(tài)總是成對(duì)出現(xiàn)，而在空間上分離的兩個(gè)粒子又保護(hù)了這種量子態(tài)不受每個(gè)粒子局部環(huán)境擾動(dòng)的影響，有利于解決量子比特的退相干問(wèn)題；(3)基于Majorana 費(fèi)米子構(gòu)建的量子比特能夠進(jìn)行編織操作，進(jìn)而有利于拓?fù)淞孔佑?jì)算的具體實(shí)現(xiàn)。

由于Majorana 費(fèi)米子在容錯(cuò)拓?fù)淞孔佑?jì)算上的重要價(jià)值，探測(cè)和證明Majorana 費(fèi)米子的存在成為目前凝聚態(tài)物理領(lǐng)域研究的重要問(wèn)題。人們最早是在納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)中觀察到Majorana 費(fèi)米子的，并迅速開(kāi)展了相關(guān)的拓?fù)淞孔佑?jì)算研究。其中，基于超導(dǎo)體/半導(dǎo)體納米線結(jié)構(gòu)如Nb/InAs和Nb/InSb 等形成p-波超導(dǎo)鏈，人們可以通過(guò)超導(dǎo)近鄰效應(yīng)在納米線兩端構(gòu)造出Majorana 束縛態(tài)。實(shí)際上，利用納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)造量子比特有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：在高品質(zhì)材料制備方面，納米線的低維特性可以使應(yīng)力在其表面充分釋放，外延過(guò)程中可以降低晶格失配對(duì)材料質(zhì)量的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)納米線形貌、組分和摻雜的精確控制；從量子比特?cái)U(kuò)展性的角度，納米線相關(guān)器件中可方便集成多個(gè)局域的金屬或者超導(dǎo)接觸以及頂柵、底柵和側(cè)柵等控制電極，從而極大增加了量子比特的構(gòu)造靈活性。具體到III—V族半導(dǎo)體InAs 和InSb 納米線，由于二者具有較高的電子遷移率，可以避免納米線中由無(wú)序引起的電化學(xué)勢(shì)漲落，從而能夠有效控制Majorana 費(fèi)米子的數(shù)目。此外，作為窄禁帶半導(dǎo)體，InAs 和InSb 納米線易與超導(dǎo)金屬電極形成勢(shì)壘較低的透明接觸；而在Majorana 費(fèi)米子的產(chǎn)生方面，它們較大的朗德g因子意味著相對(duì)較小的磁場(chǎng)就足以滿足要求?？傊诎雽?dǎo)體低維納米結(jié)構(gòu)的量子計(jì)算研究仍然方興未艾，必將大有可為。

綜上所述，在未來(lái)的電子器件研究與應(yīng)用中，半導(dǎo)體低維納米異質(zhì)結(jié)器件將占據(jù)一席之地。

6展望與總結(jié)

毋庸諱言，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)過(guò)去追求的尺寸微縮紅利已然將至盡頭，在觸碰天花板之前發(fā)現(xiàn)行之有效的器件性能提升方法成為許多科學(xué)家追求的首要目標(biāo)。但由于現(xiàn)今半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)成熟度及業(yè)已形成的巨大市場(chǎng)，在現(xiàn)有框架下繼續(xù)縮減器件特征尺寸仍然是企業(yè)的首選。近些年來(lái)，二維半導(dǎo)體材料成為研究熱點(diǎn)，正是由于它們通常僅含單層或少數(shù)層原子，為人們研究原子層厚度極限下的相關(guān)物理效應(yīng)提供了絕佳的材料平臺(tái)。傳統(tǒng)半導(dǎo)體納米線則在兩個(gè)維度上同時(shí)逼近原子厚度極限，同樣是科學(xué)家們?cè)趯?shí)現(xiàn)原子尺度半導(dǎo)體晶體管過(guò)程中的重要材料體系。然而，在不可回避的“尺寸墻”到來(lái)之時(shí)，尋求新的信息載體如電子自旋等已經(jīng)或即將快速催生出新的信息科技研究領(lǐng)域。

可以想象，對(duì)于利用超小尺寸半導(dǎo)體材料構(gòu)建的異質(zhì)結(jié)而言，界面效應(yīng)將成為決定器件性能的最關(guān)鍵因素。因此，2000 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Kroemer的名言——“界面即是器件”——仍將是研究和設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)器件時(shí)所需遵循的金科玉律。