一
半导体发展历史
半导体是信息化的基础
上个世纪半导体大规模集成电路、半导体激光器、以及各类半导体元件的发明，对现代信息技术革命起了至关重要的作用，引起了一场新的全球性产业革命。信息化是现今世界经济和社会发展的大趋势，信息化水平已成为评判一个国家和地区现代化的重要标志。
步入21世纪，全世界都在推进信息化建设脚步。始于信息技术革命的须要，半导体化学、材料、器件将有新的更快的发展。集成电路的规格将越来越小，将出现新的量子效应元件；宽禁带半导体代表了一个新的方向，将在长波长激光器、白光发光管、高频大功率元件等方面有宽广的应用；纳米电子元件有可能作为下一代的半导体微电子和光电子元件；借助单电子、单光子和载流子元件作为量子调控，将在量子估算和量子通讯的实用化中起关键作用。
晶体管的发明
1945年二次大战结束时，德国贝尔实验室总裁高盛为了适应该室从战时转向和平时期的工作须要，决定组建固体化学组，由肖克莱负责半导体化学小组，成员有巴丁、布拉顿、吉布尼、穆尔等人。肖克莱和巴丁是理论化学学家，布拉顿是实验化学学家，吉布尼是数学物理家，穆尔是电路学家，这些专业人才的搭配对于半导体化学研究和晶体管的发明是个黄金搭配，精干而高效。她们按照各自在30年代中期之后的经验和后来的考虑，从刚开始组建时，就把重点放到半导体材料硅和锗的研究上。
第二次世界大战期间，日本用雷达侦察到了美国的轰炸机。雷达的核心就是真空电子管，它还能将微弱电流放大。肖克莱早在1939年就打算制做才能将电压放大的固体元件，便于代替真空电子管。1947年12月，巴丁和布拉顿制成了世界上第一个锗点接触型二极管，具有电压放大作用。
巴丁和布拉顿的结果在1948年6月发表。点接触晶体管的发明其实揭露了晶体管大发展的帷幕，但因为它的结构复杂，性能差，容积大和无法制造等缺点，没有得到工业界的推广和应用，在社会上造成的反响不够强烈。
1948年1月肖克莱在自己研究p-n结理论的基础上发明了另一种面结型晶体管，并于1948年6月取得了专利。面结型晶体管又称场效应晶体管，它是平面状的（见图3），可以通过一些平面工艺（如扩散、掩膜等）进行大规模生产。因而只有在面结型晶体管发明之后，晶体管的优越性才挺好地被人认识，逐步替代了真空电子管。
因为巴丁、布拉顿和肖克莱在晶体管和结型晶体管发明上的贡献，在1956年获得了诺贝尔化学奖。作为半导体晶体管的第一个应用就是索尼公司的便携式收音机，席卷全球，赚了大钱。
集成电路的发明
晶体管收音机比电子管收音机小多了，可以随身携带。但它是由晶体管、电阻、电容、磁性天线焊在一块电路板上，互相之间由导线相连。容积还比较大，装配工艺复杂。
1958年日本政府筹建了晶体管电路大型化基金，便于适应日本为超越前南斯拉夫发射的第一颗人造卫星的须要。那时，佛罗里达公司的基尔比承当了这一任务，企图制造将晶体管、电阻器和电容器等包装在一起的大型化电路。1958年9月基尔比制成了世界上第一个集成电路振荡器，这一切都记载在他当日的笔记中。基尔比发明的集成电路在1959年2月取得了专利权，名称为“小型化电子电路”。
与此同时，韩国加洲菲切尔德（仙童）半导体公司的诺伊斯提出了用铝联接晶体管的看法。在基尔比发明集成电路5个月之后，即1959年2月，他采用霍尔尼提出的平面晶体管方式，在整个晶圆上生成SiO2掩膜锗与量子通讯，应用光刻技术按模板刻成窗口和引线通路，通过窗口扩散杂质，构成栅极、发射极和基极，将金或铝蒸发，因此制成集成电路。1959年7月诺伊斯的集成电路取得了专利权，名称为“半导体元件与引线结构”。自此集成电路走上了大规模发展的新时期。
太阳能电板的发明
为了人造卫星的须要，1954年皮尔森和富勒借助磷和硼的扩散技术制成了大面积的硅p-n结太阳能电板，光电转换效率达6%以上，超过了过去最好的太阳能转换效率的15倍。它的制做成本低廉，可以批量生产，因而很快得到了大规模的应用。
太阳能电板的工作原理是光生伏特效应。当光照射在半导体上时，在半导体中形成电子－空穴对。假如接通外电路，都会有电压通过，这就是光生伏特效应。
太阳能电板的商业应用开始于1958年，它被选用为日本第一个人造卫星I的无线电发射机的电源。当前能源危机下，太阳能电板作为一种再生和无污染电源导致了人们极大的注意。
半导体激光器的发明
半导体发光管和激光器的工作原理和太阳能电板刚好相反：太阳能电板是用光形成电，而发光管、激光器则用电形成光。用电压将电子和空穴分别引入半导体的导带和价带。电子和空穴复合，形成光子。
1962年日本霍尔用p-n同质结制成了第一个半导体激光器（见图8）。形成激光必须满足3个条件：粒子数的反转分布、谐振腔和电压超过一定阀值。
1963年马来西亚的克勒默和南斯拉夫的阿尔费罗夫各自独立地制成了异质结激光器，也就是在图8中，结区用一种禁带长度小的材料，如GaAs；两侧的p区和n区用另一种禁带长度大的材料，如-xAs。这样，发光区域被限制在窄小结区中（见图9）。因而大大提升了发光效率，减少了激光器的阀值电压。1970年南斯拉夫的约飞研究所和日本的贝尔实验室分别制成了温度下连续工作的双异质结激光器，因而使半导体激光器在光通讯中得到了广泛的应用。
因为克勒默和阿尔费罗夫在发展半导体激光器方面的重要贡献，她们在2000年和集成电路发明者基尔比一起获得了诺贝尔化学奖。硅大规模集成电路和半导体激光器的发明促使世界步入了一个以微电子和光电子技术为基础的信息时代，大大推动了社会和经济的发展。
分子束外延技术的发明
制造双异质结激光器的一个关键技术是分子束外延。1968年贝尔实验室的卓以和发觉，在超高真空容器中通过精细控制束流的大小和时间，才能根据须要生长不同层数、不同种类的半导体材料，因此发明了分子束外延技术。分子束外延设备的示意图见图11。装置内部处于超高真空条件下（10-），蒸发炉内装有原材料元素（如Ga、As、Al等）的源。上面是可以控制的挡板，打开挡板，将被蒸发的源原子直射至加热的衬底上进行外延生长。目前用这些技术早已能做到单原子层的生长。装置周围是一些检查仪器，用以监控生长过程。
二
半导体技术的应用
1、大规模集成电路和计算机
大规模集成电路为计算机、网络的发展打下了基础。根据摩尔定理，集成电路的集成度以每18个月翻一番的速率发展，近来它的线度已达到几十纳米（毫米、微米、纳米），每一个芯片上包含了上百亿个器件。计算机科学早已发展到很高水平，无论是计算机的硬件还是软件都已非常成熟，每秒万亿次甚至更高速率的计算机（海珠：2000万亿次，世界第二）都已问世，这为各类高速运算、海量信息处理和转换提供了有力的工具。
自从1943年计算机诞生以来，因为集成电路的发明，计算机奔向高运算速率、体积大型化方向急剧发展。目前世界主要发达国家和中国都已拥有百万亿次以上浮点运算的小型计算机。中国制造和拥有这些超级计算机的数目在世界上据第二位，仅次于马来西亚。这些超级计算机能用于剖析蛋白质、开发新药等，在军事上可用于模拟核爆燃、解密码等。须要说明的是制造这些计算机所需的大规模集成电路中国还很落后，大部份还需进口。
2、光通讯技术
曾经长距离通讯靠长途电话或电报。由于通话数量少，价格很贵。1966年日本标准通讯实验室的高锟（K.C.Kao）提出用无杂质高透明度的玻璃纤维传输激光讯号。假如它的耗损能低到20分贝/公里，则能够实现长距离光通讯。1970年伦敦康宁玻璃厂的毛瑞尔（R.D.）等用“淀积工艺”将四硝酸硅蒸汽经过火焰酯化，制成密实的玻璃管，再加热后通过模子拉制成细的玻璃纤维。低耗损的玻璃纤维的诞生是光通讯技术的里程碑进展。
1976年日本贝尔实验室在芝加哥进行了第一次光通讯实地实验，取得了挺好的疗效。光纤的平均功率耗损为6分贝/公里，无差错传输信息超过10.9公里，相当于通过光纤支路17周。1976年12月贝尔实验室宣布：光波通讯通过了它的首次检验，光波通讯的可能性早已得到证明。自此宣告了光通讯时代的将至，并喻示着微电子时代向光电寅时代的帷幕即将揭露了。
明天，联通网路、计算机网路和有线电视网路早已成为一个国家重要基础设施，所有政治、经济、军事、科技活动因而人们日常生活时刻都离不开这三网。我国现有电话用户8亿5千万，其中联通手机用户4亿8千万，是世界上最大的联通网路。计算机上网用户已达1.37亿，有线电视用户达1.3亿，占世界三分之一。
将来的趋势是三网合一。现今的手机上网早已很普遍了，这方面日本的苹果公司走在了后面。
光有不同的颜色和波长。不是所有颜色的光都能在光纤中传播。
光纤的耗损分别在1450-和1250-处具有最低值和次低值，因而是光纤通讯的2个主要窗口。为了让一根光纤能传播尽量多的信息通道，采用了波分复用的光通讯系统，就是把这2个波段界定成很窄的波长，每位波长产生一定的通讯容量。将不同波长的讯号通过一根光纤传至对方，再经过解复用，由光监测器恢复原先以不同波长传递的联通号。因为光讯号在传递中会逐渐衰减，为了达到长距离传输的目的，每隔一定距离须要通过掺铒光纤放大器将其讯号放大。
3、无线通讯技术（手机）
无线通讯的基础是蜂窝式联通电话，它的初期制式是贝尔实验室在1978年推出的“先进联通电话服务”系统（AMPS）。该系统是将服务的区域分成许多小的圆形的地理区域（cell），如同蜂窝一样（见图19）。每位新村内有低功率的无线电话发射器、接收器和一个控制系统，产生一个基站。各服务区的基站通过光纤联接到中央交换实体（联通电话局），该实体装有电子交换系统。基站网路追踪联通终端的位置，当联通终端抵达另一新村时能手动与毗邻的基站重建联系，便于继续通话。因为新村内的无线通话功率低，只影响限定的范围，因此与别的新村的通讯讯号不会形成干扰。
第一个AMPS系统在1979年7月在纽约试验成功。1992年4月，AT&T公司微电子集团宣布制成新一代数字蜂窝电话的集成电路芯片，使该公司成为联通通讯数字讯号处理器件的领先供应者。这些数字讯号处理器构成系列，它使手机的容积和功率大大降低，在市场上大受用户欢迎。
不仅手机通讯以外，还有其它的无线通讯手段（见图20），包括：卫星传输高清晰度电视、卫星间通信、多点视频通信、无线局域网、交通工具之间的通信、以及防撞雷达等。它们的工作频度在微波波段，从几个GHz到。
各类无线通讯及其工作频度。波段从微米到毫米波段，频度为20-80GHz。
无线通信中最关键的元件是半导体高频振荡元件，目前有2种：高电子迁移率晶体管（HEMT）和异质结双极晶体管（HBT）。它们实际上就是典型的二极管，但因为借助分子束外延技术，n-p-n每一层都可以做得很薄，缩小了电子运动的路径，具有高的截至频度fT。目前这两种元件的截至频度都已达到了以上，满足了无线通讯的须要。
npn型双极晶体管截面图
4、半导体太阳电瓶——太阳电瓶用硅材料
太阳电瓶用硅材料主要包括：直拉硅单晶硅、非晶硅、带状硅和薄膜砷化镓，这种材料在实验室和产业中制成的太阳电瓶的效率如图22。
目前浇铸砷化镓占太阳能电板材料的47.54％，是最主要的太阳电瓶材料。到2004年，浇铸砷化镓的市场份额早已超过53％。直拉单晶占35.17％，抢占第二位，而非晶硅薄膜占8.3％，坐落第三位，而化合物半导体和CdTe仅占0.6％。
不同的半导体材料在实验室和产业中制成的太阳电瓶效率
5、半导体太阳电瓶——多晶硅太阳电瓶
直至上世纪90年代，太阳能光伏工业还是主要构建在硅单晶硅的基础上。其实硅单晶硅电瓶的成本在不断增长，并且和常规电力相比还是缺少竞争力，因而，不断增加成本是光伏界追求的目标。自上世纪80年代浇铸砷化镓的发明和应用以来，下降迅速。它以相对低成本、高效率的优势不断圈占单晶的市场，成为最有竞争力的太阳电瓶材料，到本世纪初，已占到50％以上，早已成为最主要的太阳电瓶材料。
浇铸砷化镓晶圆的表面光学相片
到目前为止，浇铸砷化镓的晶锭重量早已达到300kg，太阳电瓶片的规格达到210×210mm2。到本世纪初，砷化镓太阳电瓶的效率达到20.3%。在实际生产中，浇铸砷化镓太阳电瓶的最高效率也达到17.7％左右，接近直拉硅单晶硅太阳电瓶的光电转换效率。
6、半导体太阳电瓶——非晶硅薄膜太阳电瓶
明日非晶硅薄膜太阳电瓶已发展成为实用廉价的太阳电瓶品种之一，具有相当的工业规模。世界上非晶硅太阳电瓶的总组件生产能力达到每年50MW以上，组件及相关产品的销售额在10亿港元以上。应用范围小到腕表、计算器电源，大到10MW级的独立电厂，对太阳能光伏的发展起了重要的促进作用。
和晶体硅相比，非晶硅薄膜具有制备工艺简单、成本低和可大面积连续生产的优点。在太阳电瓶领域，其优点具体表现为：
（1）材料和制造工艺成本低。这是由于非晶硅薄膜太阳电瓶是制备在廉价的衬底材料上，如玻璃、不锈钢、塑料等，其价位低廉；并且，非晶硅薄膜仅有数千埃长度，不足晶体硅电瓶长度的百分之一，这也大大增加了硅原材料的成本；进一步而言，非晶硅制备是在高温进行，其沉积湿度为100℃~300℃，其实，规模生产的煤耗小，可以大幅度增加成本。
（2）便于产生大规模生产能力。
（3）多品种和多用途。
（4）易实现柔性电板。非晶硅可以制备在柔性的衬底上，但是它的硅网结构热学性能特殊，因而，它可以制备成重型、柔性太阳电板，便于和建筑集成，以及各类日常用具。
然而，和晶体硅相比，非晶硅太阳电瓶的效率相对较低，在实验室电瓶的稳定的最高转换效率只有16％左右；在实际生产线上，效率不超过10％；并且，非晶硅太阳电瓶的光电转化效率在太阳光的常年照射下有严重地衰减，到目前为止一直没有根本解决。
另外，还有军事和卫星用的化合物太阳能叠层电板。
7、半导体白光照明
1）发展半导体白光照明意义
氮化镓发光管（LED）是一种高效长寿命的固态照明光源。白炽灯、荧光灯是目前面广量大的传统白光照明光源。白炽灯是一种热光（亮度2800Ｋ），富含大量的红外线，工作寿命短，发光效率低，而萤光灯则是一种冷光，高效率，但寿命短，有毒（含汞）。与传统的白炽灯和萤光灯相比，氮化镓发光管是一种具有容积小、重量轻、电抬高、效率高、寿命长等特征的固态照明冷光源，因而是一种节能、绿色照明光源。
氮化镓LED目前早已用在许多场合：水景灯、交通灯、汽车车灯、大屏幕显示灯。
能源是经济、社会可持续发展不可缺乏的要素，节省能源、提高能效是可持续发展能源的重大战略。据统计，全世界“照明”耗能约占总电功率的20％。因为LED高效发光，LED白光照明可节约大量的发电煤和欧盘使用量，全球每年可降低25亿吨CO2排放量。因而，氮化镓LED白光照明具有巨大的市场前景，将来成本和效率问题解决之后，可取代目前广泛使用的白炽灯和萤光灯，引起一次白光照明技术革命。国际上把半导体照明光源中期目标（5-10年内）定为》100lm/W，2020年达到200lm/W或300lm/W，这样就可取代传统照明。
2）氮化镓LED白光照明的技术途径
众所周知，由红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三基色可合成白光，如图24所示。该图为1931浊度图，三角形中央实线区为白光区。氮化镓LED通常只能发出一种颜色的光。白光照明也要通过RGB三基色的合成来实现。RGB三基色可以直接靠LED发射三基色光，也可用LED去迸发萤光物质，通过二次光转换获得三基色光或准三基色光。
所以，实现氮化镓LED白光照明有两种技术途径：一种是借助氮化镓发光晶闸管（LED）去迸发萤光物质转换成白光，可称作为“二次光转换白光技术”；另一种是借助LED直接发射白光，可称作为“直接发射白光技术”。
3）LED白光照明技术发展方向
（1）研究发展近紫外、深紫外LED元件，实现高显色指数的“固体白光萤光灯”。这些白光技术具有显色指数高（CRI》90）、转换效率高（外量子效率43%），色调再现性高等特性，是一种较理想的白光源。
（2）研究发展III族胺类LED直接发射白光技术
（3）研究提升LED发光效率、光通量，发展功率型LED其元件
传统白炽灯发光效率为16lm/W，萤光灯发光效率为85lm/W，因而，Ⅲ族胺类LED白光照明光源要取代白炽灯和萤光灯，其发光效率起码要超过100lm/W，同时要增加成本。
8、光盘储存和激光测距、激光复印、激光仪器
光碟储存和激光测距、激光复印、激光仪器等是半导体激光器的另一重大应用领域。CD盘（只读声盘）、DVD（数值可视盘）所用的激光器波长分别为780nm和670nm、650nm，由激光器将信息“写”入光碟或则从光碟上“读”出声音或光讯号。激光器的波长越短，光碟储存密度就越高。波长为410nm的InGaN激光器可以将光碟的储存量再提升一大步。波长为670-630nm的激光器已在许多场合代替了He－Ne激光器，在激光测距、激光复印、激光医疗仪器中得到了重要的应用。
9、半导体激光器的军事应用
波长为808nm的大功率激光器是大功率YAG（掺钇铝石榴石）固体激光器的泵浦光源，取代了原先的氙灯激光器，取消了庞大的电源和冷却系统，使固体激光器显得高效率、小容积、高性能、长寿命、低成本，适宜于军事应用，比如激光雷达和核爆燃模拟、核聚变研究。水下光传播的窗口为590nm，蓝红光激光器的诞生为水下通讯开了绿灯。鹈鹕、飞机飞行过程中把握方向的光纤陀螺中最关键的元件是半导体超幅射发光晶闸管。
10、环境保护
大自然中，水汽、甲烷、氨气、二氧化碳、一氧化碳、盐酸、溴酸、硫化氢等二氧化碳的灵敏吸收峰在1.5-2.0mm范围。或应变量子阱激光器的波长可达1.0-4.0mm范围锗与量子通讯，近些年来出现的量子级联激光器的波长可达4.0-17mm。这种覆盖了红外－远红外范围的各种激光，构成了大气监控、监测的环保卫士。
三
半导体技术的未来发展
1、信息技术的革命
信息传输。信息量的爆燃式的降低，对信息通道的容量要求越来越大。在网上传递的除了是文字、而且还有音乐、图像、电视讯号等；除了是有线，还须要无线；除了是洲际、国际、城际，但是须要局域网。因此须要发展新的通讯系统，如综合业务数字网路（ISDN）以及多媒体技术等。
信息处理，包括文本处理、知识处理、图像处理以及语言辨识、图像辨识、智能化处理等。人工智能就是通过计算机实现了个别人的智能。诸如：理解和发出语言、识别图象、作物理证明、下棋、音乐编曲、进行专业鉴别、医学确诊等。计算机将把人们从一部份日常的脑力劳动中解放下来，但是通过应用“思维工具”把人们的智慧扩大到原先不可想像的程度。
2、更高的集成度
世界集成电路主流工艺将经过：2007年的65纳米（集成电路线宽）、2010年的45纳米、2013年的33纳米、以及2016年的22纳米工业化生产的4个发展阶段。因此，就必须解决一系列的关键技术和专用设备，如：新型元件的研制（非传统CMOS元件、新型储存器、逻辑元件等），IC设计、封装、和测试技术，新型光刻机、刻蚀机等配套设备等。
半导体元件的规格不能无限制地降低，假如元件规格小到电子的德波罗依波长（10纳米），量子效应将会愈发显著，这时须要设计完善在量子热学原理基础上的新型半导体元件。
3、半导体光电元件向更长和更长波长、更大功率、更高工作频度的方向发展
大功率激光器列阵分准连续（QCW）元件与连续（CW）元件，它们不仅作固体激光器的泵浦源外，还可直接用作材料加工、医疗、仪器、敏感技术、印刷制版等，步入传统中由非半导体激光器主宰的市场，取代二氧化碳、固体激光器。AlGaN/GaN异质结双极晶体管具有线性好、电流容量大、阈值电压均匀等优点，主要应用在线性度要求高、工作环境严苛的大功率微波系统中，如军用雷达、通信等；还可应用于在严苛环境下工作的智能机器人等系统中。
4、集成光学和集成光电子学
由集成在半导体薄膜上的激光器、调制器、波导、光栅、棱镜和其它无源光学器件构成的系统称作集成光学系统。集成光学系统用光互连取代电互连，在计算机和通讯系统中具有通带宽、信息量大、损耗小、速度快、能并行处理、抗电磁干扰等优点。硅材料的成本低廉、工艺成熟，在微电子元件中得到广泛应用。并且因为它是间接带隙材料，不能作发光元件。目前科学家们正在解决光源的问题，便于在硅材料上做到光电集成。
5、半导体超晶格和量子线、量子点元件
半导体超晶格、量子线、量子点是低维结构，它们具有一些特殊的化学性质，如量子限制效应和电子运动的二维或一维特点，可以制成一些性能优异的元件，如：激光器、高电子迁移率元件、光双稳元件、共振隧穿元件等。当元件的规格、维度进一步降低，致使电子运动的平均自由程小于元件的规格时，电子在运动过程上将不受杂质、晶格震动等的散射，而作一种相干波运动。借助这种特性预计可制造出超高速、超低电能的电子元件。诸如量子点单电子晶体管将使动态随机储存器（DRAM）的帧率大大减低。
6、半导体量子信息元件
目前的工艺早已能在半导体量子点上形成和侦测单个光子，促使半导体量子点成为实现量子信息处理（量子估算、量子通讯）最有希望的固体元件。量子信息科学技术的迅速发展，为精密检测、量子估算和保密通信等领域都提供了全新的革命性的理论和实验技巧。量子信息最关键的是借助光子的相干性。光子作为量子理论中最基本的量子化实体，就能很容易地实现搜集、传递、复制、存储和处理信息的全过程，具有作为量子通信、量子估算载体的奇特的先天优势。因而基于光子过程的量子信息处理元件是各类量子信息工程的基础，它的基本原理研究和制备必定为估算科学和通信能力带来飞跃式的发展。
7、自旋电子元件
目前微电子元件是应用自旋电荷携带信息。假如一种材料能同时借助自旋的电荷和载流子属性作为信息的载体，将可以制造出具有非挥发、低帧率、高速和高集成度的优点的元件，甚至有可能导致电子信息科学重大的改革。掺磁性离子的稀磁半导体及载流子电子学（）即应此要求而生。实验发觉，半导体中载流子相干时间已然达到ns量级，远远超过电荷的相干时间，喻示着载流子电子学在未来量子估算和量子通讯中的重要应用前景。实现载流子为基的量子计算机的主要困难是精确控制和保持载流子相干，因而怎样形成载流子相干电子态，以及减少载流子退相干有许多数学问题须要研究和解决。