半导体的故事
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半导体超晶格国家重点实验室网站 http://lab.semi.ac.cn/cjg/ 请大家提前联系自己有意愿的超晶格室导师： http://lab.semi.ac.cn/cjg/contents/256/5563.html 郑厚植a 夏建白a 李树深a 牛智川 常凯 姬扬 孙宝权 张新惠 李京波 谭平恒 李桂荣 杨富华b 吴晓光 赵建华 王开友 吴南健b 刘剑b a 中国科学院院士 b 下周三不参加超晶格实验室的面试，请与他们直接联系面试时间。 半导体研究所导师简介 http://www.semi.cas.cn/rcjy/yjsds/ 为便于安排超晶格室参观和面试，请于本周末之前告知姬扬 jiyang@semi.ac.cn 。 半导体的故事 姬扬 中国科学院半导体研究所 半导体超晶格国家重点实验室 参考资料 • John Orton, the Story of Semiconductors, Oxford University Press, 2004 • Scientific American, Solid-State Century, Special issue of Scientific American, 1999 • 百度百科 • 《物穷其理 宏微交替 ——半导体所成立五十周年》 • 《拓荒者的足迹》科学出版社，2010 • 中国科学院研究生院课程《半导体量子电子器件物理》 摘要 • 我们将简要介绍半导体研究的概况，回顾其历史沿革以及 我国在此领域中的一些历史发展情况。以半导体研究为例， 介绍科学研究活动从十九世纪的“自由探索”阶段过渡到 二十世纪特别是第二次世界大战之后的“目标导向”阶段。 首先用两个例子说明半导体科学技术在信息技术革命中的 巨大作用：半导体检波器在无线通讯中的应用（一战前）； 半导体晶体管在电子计算机中的应用（二战后）。然后用 霍尔效应为例说明半导体研究对基础科学的贡献。最后再 用几个例子说明半导体科学技术对国民经济和国防建设的 重大贡献：它不仅在集成电路、光纤通讯和太阳能电池等 方面绽放异彩，还在卫星通讯、白光照明、电动汽车和高 速列车等方面大显身手。一百多年以来，无数的科技工作 者持之以恒地研究半导体科学技术，从而不断地提高着人 们的物质和精神生活水平；现在，仍然需要更多的有志青 年投身于半导体科学技术研究中，从而进一步推动社会前 进、增进全人类的福祉。 报告大纲 • • • • • • 半导体研究的概况，历史沿革，以及我国的情况 科学研究活动从“自由探索”到“目标导向” 半导体检波器在无线通讯中的应用（一战前） 半导体晶体管在电子计算机中的应用（二战后） 用霍尔效应为例说明半导体研究对基础科学的贡献 其它贡献 信息的时代 半导体的世纪 第一台电子计算机ENIAC 1946年 笔记本电脑 2012年 一滴水中看世界 ——从诺贝尔物理学奖看半导体科学的发展 • 1909年布劳恩Carl Braun因为无线电报的发明而与马可尼一道获得了诺贝 尔奖，布劳恩的贡献包括半导体整流效应的发现，对于信号检测非常重要。 • 1956年，巴丁John Bardeen、布拉顿Walter Brattain和肖克利William Shockley因为晶体管而获奖。 • 1973年，江崎Leo Esaki因为半导体中的隧穿效应而获奖。 • 1977年莫特Neveil Mott和安德森 Philip Anderson因为非晶半导体而获奖。 • 1985年，克利钦Klaus von Klitzing因为量子霍尔效应而获奖。 • 1998年劳克林Robert Laughlin、斯托默Horst Stormer和崔琦Daniel Tsui因 为分数量子霍尔效应而获奖。 • 2000年阿尔弗雷夫Zhores Alferov、克罗默Herb Kroemer和基尔比Jack Kilby因为电子学和光电子学方面的贡献而获奖。 • 2009年，高锟因为光纤而获奖，博伊尔Willard S. Boyle 和 史密斯 （George E. Smith因发明电荷耦合器件CCD图像传感器而获奖。 • 2010年盖姆Andre Geim 和诺沃肖洛夫Konstantin Novoselov 因石墨烯获奖。 信息时代 短暂的历史 辉煌的成就 • 1830年代，发明电报。库克、惠斯通和莫尔斯 • 1870年代，发明电话。 贝尔、格雷和梅乌奇 • 1890年代，发明无线电通讯。马可尼和波波夫 • 1947年，发明锗晶体管 • 日常生活中到处都是半导体器件：计算机、各类存储器、 激光器、白光照明、太阳能、高速铁路，等等。 • 这些器件是怎样发明出来的？未来发展的限制是什么？ 半导体的世纪 材料科学的发展 • 许多技术的硬件部分都是基于材料并受限于材料。 从石头到铜，再从铜到铁，然后再到现在的半导 体。 • 旧石器时代有几百万年的历史，新石器时代可能 有一万年。铜器时代和铁器时代 都有几千年吧。 而工业革命只有几百年的历史，信息时代还不过 一百年而已。 • 发现和改进材料的过程贯穿人类历史。 人猿相揖别。只几个石头磨过…… ——毛泽东 人猿相揖别。 只几个石头磨过， 小儿时节。 铜铁炉中翻火焰， 为问何时猜得？ 不过几千寒热。 人世难逢开口笑， 上疆场彼此弯弓月。 流遍了， 郊原血。 一篇读罢头飞雪， 但记得斑斑点点， 几行陈迹。 五帝三皇神圣事， 骗了无涯过客。 有多少风流人物？ 盗跖庄蹻流誉后， 更陈王奋起挥黄钺。 歌未竟， 东方白。 山顶洞人 山顶洞人的骨针 许昌人的石器 材料制备的要点 • 发现和改进材料的过程贯穿人类历史。先是在自然界中发现了原材料， 铜矿。 • 公元四千年前就出现了铜饰品，在此过程中人类的爱美之心或虚荣心 起了非常重要的作用。 • 公元前3000年左右发现可以将铜熔化， 纯铜的熔点是1083摄氏度。 • 但是铜太软，又过了一千年，到了公元前2000年左右，发现往铜液中 添加少量的锡可以有三个好处：降低熔点、降低液体黏度以及增强成 品的硬度。通常根据需要添加5-15%的锡。 • 公元前1000年左右，发现铁在武器和工具中的优势更大，虽然铁的熔 点更高，1535摄氏度，出现了锻造技术，发明了风箱。铁中掺入适当 杂质，就成了钢。 • 先要获得高纯度的基质材料（提纯）， • 然后再用恰当的处理方式（比如说掺杂）来满足广泛的需求。 什么是半导体 有多少种半导体 • 600多种 • IV半导体金刚石结构，共价键； • III-V族，闪锌矿结构，与金刚石结构的类似 之处，原子的电负性差异增大，化学键的 共价性质还比较强； • II-VI族，纤锌矿，与六方密堆结构之间的关 系， 电负性差异更大，共价性更弱。 半导体晶体结构 金刚石结构 ——嵌套的面心立方结构 金刚石、硅、锗、灰锡 半导体晶体结构 闪锌矿结构 ——嵌套的面心立方结构 Zincblende Kelly, M. J. (1995). Low-dimensional semiconductors, Claredon Press. pp2 GaAs, InAs, ZnTe,CdS 半导体晶体结构 纤锌矿结构 ——嵌套的六方密堆结构 Wurtzite 许多种II-VI族化合物 如 ZnO 等 晶体分子模型 http://www.cnpiecsb.com/hgs_model/index.asp 若晶体结构不同 则能带结构不同 闪锌矿结构 纤锌矿结构 Dyakonov, M. I. (2008). Spin Physics in Semiconductors, Springer Verlag. pp390 半导体研究早期情况 • 半导体科学开始： – 1833 硫化银的电导，第一次观察到电阻的负温度系数。 – 1837年，贝克勒尔在电解液电池发现光伏效应，Adams and Day(1876)在Se硒中发现光伏效应。 – 1873 Warren Smith在体材料 硒中发现光电导效应。 – 1874年布劳恩在一些硫化物表面发现整流效应 • 在十九世纪结束之前，已经发现半导体的四大特性： – – – – 电阻率的负温度系数 光电导效应 光伏效应 整流效应。 半导体物理学早期情况 • 1879年，霍尔效应。在发现电子之前18年。可以得到自 由载流子的浓度和迁移率。 • 1907-1920 Koenigsberger等将霍尔效应应用于半导体。 惊奇地发现一些材料的霍尔电场不是负值。 • Baedeker 1912年关于CuI的工作证明，通过控制元素配 比，改变I的量，可以强烈地影响自由载流子密度。 • 1931年 A H Wilson 提出了第一个半导体性质的理论，有 很多正确的想法，但他错误地将硅看作是金属。原因可 能是当时的材料还不够纯净。 • 1930年代末期，Mott, Schottky, and Davydov发表了势 垒模型解释金属-半导体接触。 半导体物理学：面向应用的科学 • 微弱信号检测 – 光电探测 – 微波检测 – 量子通讯 • 功率器件 – 太阳能电池 – 大功率微波器件 – 开关器件，如晶闸管 半导体研究：早期应用 • 猫须检波器和真空管 • 主要驱动力是赫兹在1888年发现了射频电磁；波用莫斯码传递信息 Morse Code • 布劳恩有两个重要发明：可调谐电路'tuned circuit' 和猫须检波器， PbS, SiC, Te and Si • 热离子阀 即热离子二极管 thermionic valve 1883年爱迪生申请了真 空管的专利，1904年弗莱明Fleming用类似器件做射频探测器。1906 年Lee De Forest发明了真空三极管 'audion' • 1947年固态三极管。 半导体研究：早期应用 • 商用整流器 • Fritts在1886年演示了第一个大面积的硒整流器件，然后直到1927年 Grondahl and Geiger 演示了铜-氧化铜整流器。这是面向应用的而不 再完全是自由探索的研究的开端。那时候美国很重视应用而不是基础 研究。 • 铜-氧化铜整流器的具体结构不是很重要，重要是为了实用起见。关 键的界面在于铜和氧化铜之间的界面，需要优化接触电极以获得满意 的粘合以及最小的接触电阻。需要进行氧化处理和化学处理，这与现 在 的硅处理工艺类似。 • 硒整流器，硒表面和相对的电极决定了整流效应。需要多种处理过程。 加工过程在很大程度上靠实验摸索。 不再采用自然界中现成的晶体 （像猫须整流器那样），而是为了特定的应用目的合成半导体材料。 半导体研究：早期应用 • 光电转换 • 1886年光伏效应，光能量转化为电能。 • 光探测器：曝光强度指示计；将胶片中的 声音条纹转化为电信号。 晶体管 晶体管 • 单单一个晶体管就值得半导体研究的全部投资 once-and-for-all justification 一劳永逸地验证了它的价值 • 研究实验室 Research Laboratory 的原则在二战前就已经确认了，但 是，第二次世界大战才真正让有影响力的人士认识到科学和技术可能 带来的巨大贡献：特别是对一些生死存亡的事情来说。 • 以研究团队的形式将科学家组织起来，而不是让他们各自为战。 • 二次世界大战使得美国人认识到基础研究的重要性，而欧洲人则认识 到将科学投入应用的重要性。在此之前，美国偏重于应用，而欧洲则 相反。 • 上面这些因素当然很重要，但贝尔实验室科学家们的决心和动力也绝 对不容忽视。 晶体管 • 研究实验室出现得很早，几乎与工业革命同时。 – 1799年，皇家研究所Royal Institution。 – – 教学目的的实验室， 格拉斯哥大学实验室Glasgow University Laboratory 在18世纪末就出现了 1824年，德国李比希化学实验室Liebig chemistry laboratory。 美国1844年，富兰克林研究所，Franklin Institute。 • 1808年和1810年，已经有文件记载，戴维爵士Sir Humphery Davy 努力为他的研究项 目筹款。 • 第一个工业研究实验室是爱迪生在1870年左右创建的。Thomas Edison in Menlo Park • More important than buildings, of course, are the people who work in them and the philosophy which guides them. 大学非有大楼之谓也，乃有大师之谓也。只不过现在很 多大学不一定认为自己需要造就自 己的大师，只要挖来人就行了。 • 纯科学研究也可能导致非常有用的实际产物 晶体管 • 早期的研究挫折（以及肖克莱本人的强有力的个性）使得贝尔实验室致力于研究锗和硅的表面性质。 • 巴丁的表面态理论 • 用电解液充当一个电极的三极管。 科学研究中的偶然发现。This is serendipity of a high order, a chance obeservation resulting from what was, in many ways, an ill-advised experimental short-cut! \newpage • • 聚苯乙烯polysterene楔子上一层金膜，用刮胡刀片沿着楔形的尖脊劈裂金膜。 1947年12月24日， 晶体管诞生了。 • the very essence of good research: the ability to ride one's lucky breaks and capitalize on them is paramount ---the invention of the transistor was a wonder example. • 科学发展很少可以预先计划，但是拥有非常确定的目标十分重要，而且要将目标牢记在心。 • 1950年，肖克莱出版了Electrons and Holes in semiconductors. 在前言中，当时的研究室主任 Ralph Bown写道， If there be any lingering doubts as to the wisdom of doing deeply fundamental research in an industrial research laboratory, this book should dissipate them. 例子：自旋霍尔效应 霍尔效应 例子：自旋霍尔效应 霍尔效应和量子霍尔效应 Resistance (K) 30 25 20 15 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 Magnetic Field, B (Tesla) 14 光学马赫-陈德干涉仪 干涉图案 示意图 M1 D1 S D1 BS2 M2 D2 Intensity (a. u.) BS1 D2 1.0 0.5 0.0 0 1 2 3 4 Phase difference ) ( 5 量子霍尔效应区的边缘态 量子霍尔效应的双端测量 填充因数 1 量子霍尔平台 Resistance (K) 30 25 对于边缘态的一个质朴的解释 20 15 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 Magnetic Field, B (Tesla) 14 电子马赫-陈德干涉仪 一种新型的双路干涉器件 mesa LC S D1 D2 QPC2 QPC1 preamp MG1 MG2 器件和测量系统的示意图 中间的欧姆接触的尺寸: 3m 3m S D2 QPC1 D1 QPC2 两条路径所包围的面积 : 45 m2 磁场为 10 Tesla 时器件所包容的量子 磁通的数目: 100,000 MG SEM picture 干涉图案 Aharonov-Bohm 效应 S -9.0 -7.5 VMG (mV) -6.0 -4.5 -3.0 S Current (a. u.) VMG (mV) 15 10 5 VMG S B Time (minute) 0 0 (BS) = 2 0 50 B Time B 100 150 Time (minute) 200 自旋的故事 Uhlenbeck和Goudsmit的故事 Pauli的故事 (自旋,宇称) Landau的故事(宇称,二类超导体) Kronig的故事 (Kramers-Kronig关系,自旋,超导) 例子：自旋霍尔效应 自旋霍尔效应 extrinsic:不同自旋的粒子的散射几率是不同的 粒子的自旋方向和其初始运动方向组成一个平 面，粒子的散射几率相对于此平面来说不对称 入射粒子 散射中心 M. I. D’yakonov, V. I. Perel, JETP Lett. 13, 467 (1971). M. I. D’yakonov, V. I. Perel, Phys. Lett. A 35, 459 (1971). J. E. Hirsch, Phys. Rev. Lett. 83, 1834 (1999). 例子：自旋霍尔效应 自旋霍尔效应 intrinsic:不同自旋的粒子的能谱是不同的 自旋轨道相互作用使得原本自旋简并的能带发生劈裂 E E SOI 0 k 0 S. Murakami, et al. Science 301,1348 (2003). J. Sinova, et al., Phys. Rev. Lett. 92, 126603 (2004). k 例子：自旋霍尔效应 自旋霍尔效应 实验验证 Kato, Y.K., et al. Science, 306，1910(2004) Wunderlich, J., et al. Phys. Rev. Lett., 94，047204（2005） 例子：自旋霍尔效应 半导体自旋电子学… … 苏联科学家曾做了很多很好的工作，比如 左：自旋扩散导致的表面电流；右：荧光谱的hanle效应 Bakun et al., JETP Lett., 40, 1293(1985) F. Meier and B. P. Zakharchenya, Optical Orientation (North-Holland, Amsterdam, 1984). 例子：量子自旋霍尔效应 König, M., S. Wiedmann, et al. (2007). "Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells." Science 318: 766-770. 例子：量子自旋霍尔效应 König, M., S. Wiedmann, et al. (2007). "Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells." Science 318: 766-770. 自旋电子学简介 … …半导体自旋电子学 磁学 自旋电子学 电子学 光学 半导体自旋电子学简介 半导体自旋电子学… … 手段：试图同时操作电子的电荷和自旋两种属性 期望：改善现有器件的功能，开发自旋量子器件 目标：实现更强的信息处理能力 核心：自旋的检测和相干操纵 半导体自旋电子学… … 一些综述文献 Awschalom, D.D. and M.E. Flatte, Challenges for semiconductor spintronics. Nat Phys, 2007. 3(3): p. 153-159 Igor Zutic, Jaroslav Fabian, and S. Das Sarma, Rev. Mod. Phys. 76, 323 (2004). D. D. Awschalom, D. Loss, and N. Samarth (eds.), Semiconductor Spintronics and Quantum Computation (Springer, Berlin, 2002); F. Meier and B. P. Zakharchenya, Optical Orientation (NorthHolland, Amsterdam, 1984). 夏建白, 葛惟昆, 常凯 (2008). 半导体自旋电子学, 科学出版社. Dyakonov, M. I. (2008). Spin Physics in Semiconductors, Springer Verlag. 半导体自旋电子学简介 半导体自旋电子学… … 一些典型器件 J. Fabian et al., “semiconductor spintronics”, acta physica slovaca vol. 57, 565 – 907 , 2007 半导体自旋电子学简介 半导体自旋电子学… … 近年来一些重要的实验发现 电 子 和 磁 性 离 子 的 相 干 性 铁 磁 性 半 导 体 金 刚 石 中 的 单 个 自 旋 长 寿 命 的 自 旋 相 干 性 自 旋 的 电 注 入 栅 控 的 铁 磁 性 相 干 性 的 光 学 调 控 相 干 性 的 电 学 调 控 Awschalom, D.D. and M.E. Flatte, Nat Phys, 2007. 3(3): p. 153-159 巨 平 面 霍 尔 效 应 纳 米 结 构 中 的 单 个 自 旋 电 流 诱 导 的 自 旋 极 化 自 旋 霍 尔 效 应 自 旋 的 电 学 探 测 半导体自旋电子学简介 半导体自旋电子学… … 近年来一些重要的实验发现 2006量子自旋霍尔效应 预言 2007 量子自旋霍尔效应 实验 2008 2009 拓扑绝缘体 2009 Datta-Das自旋场效应器件 核心问题和方法 半导体自旋电子学… … 核心问题 自旋的产生 自旋的传输 自旋的检测 自旋的操纵 主要方法 电学方法 光学方法 电学方法 全电学的方法实现自旋的注入、传输和检测 Lou, X., et al., Nat Phys, 2007. 3(3): p. 197-202. 光学方法 光学选择定则 F. Meier and B. P. Zakharchenya, Optical Orientation 时间分辨法拉第/克尔旋转谱 时间分辨Faraday/Kerr谱 弛豫 反映材料介电常数随时间的变化 材料介电常数是由电子在材 料能带中的布居来决定的 泵浦光激发载流子 探测光检测 泵浦光 载流子在材料能带中的布居 材料介电常数的变化 激发 时间分辨法拉第/克尔旋转谱 法拉第效应 光的极化方向在磁场中的旋转 磁场B Michael Faraday 1791-1867 法拉第1845年发现此效应 时间分辨法拉第/克尔旋转谱 磁场改变了材料的折射率 线偏振光 = 左圆偏振光 + 右圆偏振光 左圆偏振光和右圆偏振光之间的相位差决定了线偏振光的偏振方向 磁场改变了材料的折射率,造成左右圆偏振光折 射率的差别，从而导致法拉第效应的产生。 时间分辨法拉第/克尔旋转谱 克尔效应 反射光的极化方向也会发生变化 John Kerr 1824-1907 磁场B 时间分辨法拉第/克尔旋转谱 时间分辨Kerr旋转的原理图 Kerr Rotation B F T=5~300K Pump Z Probe t Vary pump-probe delay X 时间分辨法拉第/克尔旋转谱 时间分辨克尔旋转光谱测量系统 脉冲激光系统 探测系统 低温磁场 系统 时间分辨法拉第/克尔旋转谱 时间分辨克尔旋转光谱测量系统 低 温 磁 场 系 统 脉 冲 激 光 系 统 探 测 系 统 时间分辨法拉第/克尔旋转谱 时间分辨克尔测量系统 K e r r r o ta t io n ( a .u . ) C 8 4 信噪比高，1×10-6弧度 0 泵浦光强低，0.2 mW 测量速度快 -4 -8 0 200 400 600 tim e de la y (ps) 800 1000 时间分辨法拉第/克尔旋转谱 “双色”泵浦/探测的实现 脉冲激光系统 Tsunami Millennia Xs Pinhole D1 Computer D2 PBS LIA 探测系统 Polarized Rotation /4 wp PBS /4 wp Sample 低温磁场 系统 Probe Pump PEM NPCF IF Lens B,T BBO 0 Time Delay Driver Delay Line 时间分辨法拉第/克尔旋转谱 探测不同能级间自旋的传输 能带结构 时间分辨法拉第/克尔旋转谱 探测不同能级间自旋的传输 单色TRKR 双色TRKR 阮学忠 等 即将发表于Semiconductor Science and Technology In theory, there is no difference between theory and practice. But, in practice, there is.
