（复旦大学物理系和应用表面物理国家重点实验室）

半导体的重要性可以从计算机对人类的影响中_见一斑，因为计算机的核心（“脑”中之脑）——集成电路芯片，就是由一块半导体（硅）片制作而成。从自然界中存在的硅化物，经过物理化学加工，可以制备出极其纯净的硅单晶片。该硅片再经过各道精细的微加工手段（称作硅微电子工艺），就可以在手指甲大小的硅片上制作出成千上万至几百万个基本的电子元件（晶体管），成为有强大计算和信息处理功能的集成电路芯片。在这些芯片中，所有的功能都是通过电子的运动来实现的，所以这类集成电路芯片通常被称之为微电子器件。

计算机的最大功能是信息的处理，而信息的传输则需要依靠通讯。在后一领域，光子扮演着极为重要的角色。目前，大容量、低损耗、低成本的光纤通讯正在逐步替代电缆通讯而横跨大洋，并走进千家万户。然而，高效的全球性的信息网络要求光纤通讯和电子计算机连成一体。在这种情况下，要求发展一大类能够从事光电信号互相转换的器件，即光电子器件。这类器件除了能从事光电转换，还必须有足够小的体积、足够快的操作速度、足够好的信号分辨能力、足够小的能量损耗等，并且能与光纤和微电子器件同时耦合，或者做成集成器件（即光电子集成）。一个简单的例子就是把一个有电流放大功能的电子三极管与一个半导体激光器集成在一起。一个经过调制的（即带有某种信息的）微弱的电流信号从三极管的一端输入，经过放大以后从三极管的另一端输出，用来驱动激光器件，从激光器件发射的激光可以直接耦合到光导纤维从而开始远距离的传输。显然，如果这一光电子器件做的足够好，在光导纤维中传输的光信号就带有输入电信号同样的信息。在上面的这个例子中，半导体激光器扮演了核心的角色（把电信号转换成光信号）。除了半导体激光器，其他典型的光电子器件还有光电探测器（把光信号转换成电信号）、光电调制器件（一种电光信号对另一种电光信号进行调制或控制）、电光放大器件（用于放大电光信号）等。

制备光电子器件对材料本身的物理化学特性和器件的制备技术两方面都有极高的要求。对于后者，尽量多的利用现有的高度成熟的硅微电子技术要比开发全新的光电子工艺方便而且廉价。对于前者，单纯依靠自然界中已经存在的材料作一些加工是不能满足要求的。依靠人工的方法，设计制备具有特定结构、特性和功能的材料，即所谓的人工材料，是一个主要的发展方向。与光电子领域关系最为密切的是半导体人工晶体。

最简单的半导体人工晶体就是在一种半导体（衬底）表面平整而均匀地生长另一种材料，这种结构通常被称之为半导体薄膜或半导体异质结构。半导体人工晶体生长的方法不外乎两大类：物理生长和化学生长。前者就是利用物理的方法把不同的原子（或分子）喷射（放射）到半导体的基底上，以形成所需的结构。分子束外延（简称MBE）是一种典型的、使用得最多的物理生长方法。后者是通过气体和半导体基底之间的化学反应形成新的晶体材料。化学气相淀积（简称CVD）就是一类典型的化学生长方法。目前，对半导体人工晶体中某些结构参数的控制，例如层厚的控制，最好的已经可小到原子尺度。

半导体人工晶体的研究大致可分为三大类：材料的生长、材料的特性研究以及器件的开发和应用。这三个方面是互相依赖、互相促进、不可分隔的。以下，我就几类主要的半导体人工晶体以及它们的应用作一些简单地介绍。

半导体量子阱与超晶格

半导体量子阱与超晶格是由两种或两种以上不同材料按一定规律排列的层状结构，层厚一般小于10纳米，最小的可到几个原子层。例如，Al GaAs/GaAs/AlGaAs三层化合物半导体先后堆积就形成一个量子阱结构。对这个结构，电子在运动过程中很容易落到中间的GaAs层中，却不容易跳出来。在电子看来，GaAs层就像一个陷阱。在阱内的电子，受到阱壁的约束，自由活动范围变小，电子的波动行为或量子行为显得更加突出，故称之为量子阱。与量子阱不同，超晶格一般指周期性结构。例如 :Si/Ge两种材料呈层状周期性的交替堆积就形成一个典型的超晶格结构（超晶格可以不是严格周期性的，在这种情况下，一般在超晶格前面加以说明，例如准周期超晶格和非周期超晶格等）。半导体量子阱与单纯的半导体材料（例如GaAs）

相比，有许多优点。首先是电光转换效率高。在没有量子阱的情况下，电子很自由。处在高能量的电子不一定通过发出光子而释放能量，而可以通过其他的途径（如与杂质原子碰撞等），使电子的能量变为无益的热能而不是发光。在量子阱的情况下，电子的空间运动受到很大的约束，也抑制了其他释放能量的途径，从而强迫电子把能量转移给光子，提高电子光子的转换效率（在当代的量子阱半导体激光器中，这一效率可接近100%）。量子阱的另一个优点是结构可以变化，材料可以选择，从而使得光电子器件中光子的特征频率（如激光输出波长、光探测器的探测波长等）可在很大范围内人为地设计，填补天然材料的空白。量子阱的第三个优点是，在特定的条件下，光子与电子之间的相互作用（包括非线性相互作用）增强，导致光控制电或电控制光的能力增强。由于光电调控能力是许多光电子器件的工作基础，量子阱的应用也就大大提高丁光电子器件的性能，拓宽了器件的应用范围。

自然界顺在的（单）晶体中，原子的排列具有一定的周期性。而半导体超晶格除了原子的周期性之外，还有一个人工引进的比原子间距大的周期。例如，在Si/Ge/Si/Ge…超晶格中，Si/Ge两层构成一个周期。由于超晶格材料和结构在一定的条件下可以人为地选择和设计，因此，超晶格材料的物理特性可以与构成超晶格的两种单一的半导体材料有很大的不同。再以Si/Ge超晶格作为例子。尽管单纯的硅有很好的结构和电学特性，可以在微电子器件（集成电路）领域大显身手，然而，硅单晶有一个很大的缺陷，即电子能量转换成光子能量的效益特别低。这一缺陷大大限制了硅在光电子器件待别是发光器件中的应用，迄今为止，所有实用的（商品化的）半导体发光器件都与硅单晶无缘。因此，也造成了硅光电子集成的困难。锗单晶的情况也与硅类似。但是，对由硅和锗两种材料构成的Si/Ge超晶格，情况就大不一样。理论预言，如果结构（例如层厚等）满足一定的条件，Si/Ge超晶格的电子光子能量转换效益就可以比单纯的硅高几千倍。这就会给以硅材料为主的、能够充分利用硅微电子工艺的光电子器件的制备和集成（即硅基光电子集成）带来希望。

半导体量子点与纳米结构

半导体量子阱具有层状结构。在这一结构中，电子只在一个方向受到约束，而在层平面内仍然可以自由运动。如果我们进一步，把电子并在一个很小的“房间”里，使其在空间三个方向都受到约束，不能随意运动，这样，电子的波动特性或量子特性就会更加突出。用半导体材料制备的这样的“房间”就被称之为半导体量子点。量子点可以有各种形状，但要达到约束电子这样一个条件，其尺寸通常只能在纳米量级，因此量子点是属于纳米结构中的重要一类。

与量子阱和超晶格相比，半导体量子点的制备更为困难。国际上曾经并在不断地探索新的半导体量子点的生长方法。迄今为止，用的比较多的也是比较有效的一种方法是被称之为“自组织”的生长方法。利用分子束外延，把所需要的原子喷射到一块半导体基底上。如果喷射上去的原子和基底结构满足一定的条件，并在一定的生长条件（如基底温度、喷射束流密度等）下，到达基底表面的原子不再是排成一个平面，而是互相聚集在一起，形成特定的晶体结构，就像在海面上出现的一座座岛一样。如果“岛”的尺寸对“岛”内的电子而言足够小，就形成量子点结构。如果使不同的量子点有相同的尺寸；如何使量子点在基底上排列均匀有序；如何使已经形成的量子点结构和尺寸不随时间发生变化等是用自组织方法制备半导体量子点所面临的许多问题中的几个。

在光电子器件应用的许多方面，量子点比量子阱有更多的优点。举一个上面提到过的半导体激光器为例，激光输出的温度稳定性是一个很重要的指标。在激光器工作过程中，部分电能不可避免地要变成热能，使器件发热。随着温度的升高，电子变的更为好动，更不安分守己。在这种情况下，很多电子不再把自己携带能量转换给光子，而在无序碰撞过程中把能量变成体系的热能而浪费掉。结果造成器件更热，发光效益下降，最终器件不再正常工作，直至毁坏。由此可见，如果我们能把电子束缚的越牢，即使在温度升高的情况下也不让电子多动，就能大大提高器件的温度稳定性。在这一方面，显然半导体量子点要比量子阱优越，而量子阱又比单一半导体材料优越。

半导体量子点还有许多量子阱所没有的特性。由于量子点的尺寸很小，如果在量子点里已经有一个电子，那么，受到电子之间的库仑排斥和其他相互作用的影响，要在量子点里面再放一个电子，就需要很大的能量。换言之，一个电子是否能进入量子点，什么时候能进入量子点，不仅与该电子的本身特性有关，还与量子点的状态（如点中是否已有电子以及电子的能量等）有关，而且还与量子点周围的情况（如点中的电子什么时候能离开等）有关。另外，量子点的状态还可以通过光子来加以调制或控制。因此，量子点的这些特性在微电子和光电子器件中都有很重要的潜在初应用。这类器件通常被称作单电子器件，其中两个最引人注目的特点是器件的体积小、耗能少。

半导体微腔

上面所介绍的量子阱、量子点等的主要特性是对电子的空间运动实行一定的限制，从而产生有助于器件应用的光电性质。因此，其尺寸必须与电子的特征波长相当。也可以设计另一类半导体人工晶体，使其不仅具备对电子的约束功能，而且对于晶体中能够存在的光子也有选择作用。这样，使电子和光子两者的特性都能优化。由于在半导体中，光子的波长（几百纳米）和电子的特征波长（10纳米或更小）不在一个量级，因此这样的结构需要特殊设计，而且更为复杂。其中半导体微腔（Microcavity）就是具有特殊电光性质的一类半导体人工晶体。

半导体微腔是一个由多种不同材料形成的半导体多层结构。其中心部分由量子阱构成，例如GaAs/In-GaAs/GaAs量子阱，用以加强对电子的空间束缚。该量子阱被两个类似的半导体超晶格（例如GaAs/Al As超晶格）所夹，超晶格中每层的厚度为1/4个器件的特征光波长，周期为半波长。这样的超晶格实际上就是光学滤色片，对于一些特定的光波长，其反射率可近100%，因此也被称作布喇格反射镜。

半导体微腔可用于制备半导体面发射激光器。这类激光器的激光发射方向垂直于半导体表面，可以做成激光列阵，并在激光光盘、激光打印、光子和光电子集成等领域有重要应用。在半导体微腔中，量子阱产生的发光被两边的超晶格（布喇格反射镜）有选择的反射，从而在垂直半导体表面方向产生受激光射，产生激光。在结构优化的情况下，激光器件的许多指标，如：发光效益、域值电流、功耗、激光模式等都有可能推向物理的极限。

半导体微腔是一个电子态和光子态高度耦合的体系，其中的物理内容极其丰富。对这些物理过程的深刻了解，必将大大拓宽半导体微腔在光电子器件中的应用范围。

从以上介绍中可以看出，半导体人工晶体与光电子器件是一个极其宽广的研究领域，横跨材料、物理、信息等学科。研究的方向就是不断地探索新的人工材料，了解材料的物理化学特性，提高优化材料的品质，开发新的光电子器件，改善器件的性能，并且利用这些器件为人类造福。1947年贝尔实验室的巴丁等人发明了半导体晶体管，开创了人类微电子革命的先河。从50年代开始半导体微电子集成，到70年代人工半导体的制备，到90年代半导体光电子器件的应用，半导体的研究正日呈方兴未艾之势。