2000年诺贝尔物理学奖.docx

2000 年诺贝尔物理学奖2000年物理学奖，由三位物理学家获得，他们是俄罗斯 的若尔斯•阿尔费罗夫(Zhores I. Alferov)、美国的赫伯 特•克勒默(Herbert Kroemer)(分享奖金的一半)和杰克•基 尔比(Jack Kilby)(获得另一半奖金)他们因发明了快速 晶体管、激光二极管和集成电路，为现代信息技术奠定了坚 实基础若尔斯•伊万诺维奇•阿尔费罗夫(Zhores Ivanovic Alferov, 1930—2019),出生于白俄罗斯的维捷布斯克阿 尔费罗夫于1947年高中毕业，进入列宁格勒电子技术学院电 子学系学习，1952年毕业自1953年起，他一直是俄罗斯圣 彼得堡约费物理技术研究所的科研人员，1970年获得物理和 数学博士学位，并从1987年开始任这家研究所的所长2019 年阿尔费罗夫因急性心肺衰竭在圣彼得堡逝世，享年 88岁赫伯特•克勒默(Herbert Kroemer, 1928—),出生于 德国魏玛父亲是公务员，母亲是家庭主妇，都来自技术家 庭,父母虽然没有受过高等教育,但是希望克勒默能受到最 好的教育,他们并没有为儿子制订具体的学术方向,克勒默 自己选择了数学、物理和化学。

1947年中学毕业后,他在耶 拿大学学习物理学他在柏林实习时,利用“空中桥梁”逃 往西德,并在哥丁根大学完成了关于晶体管中热电子效应的 理论物理学研究和博士论文,1952年获得博士学位此后他 将职业定位在物理学和半导体技术研究上1954年他前往美 国,工作于普林斯顿大学和帕罗奥图的多家研究机构,1968 年至1976年任博尔德科罗拉多大学物理学教授杰克•基尔比(Jack Kilby, 1923—2005),出生于美国 密苏里州的杰斐逊城，是集成电路的两位发明者之一(另一 人是罗伯特•诺伊斯，Intel公司的伊始人之一)1947年, 基尔比获得伊利诺伊大学的电子工程学学士学位，1950年获 得威斯康星大学电子工程硕士学位1958年,进入美国得克 萨斯仪器公司工作,成功研制出世界上第一块集成电路导致现代信息科技发展的两个主要条件,一是组成信息 系统的元件必需运转快速,二是必需满足轻、薄、短、小的 特点这些电子元件因为运件快速,所以能在短时间内处理 大量信息；又因为体积很小,所以能够随身携带,为一般的 家庭和办公室所接受阿尔费罗夫和克勒默利用半导体异质结构所发明的快速 光电元件,是现代信息科技的必备组件,例如人造卫星与移 动中的快速晶体管、在光纤通讯中传递信息的激光二极 管、以及激光唱盘所使用的激光元件。

基尔比所发明的集成 电路,将各种不同的电子元件集成在同一芯片上,使得功能 强大、复杂的电路系统微小化,促成了现今微电子行业的蓬 勃发展以下简单介绍半导体异质结构的基本特性与应用、集成 电路的发展沿革半导体异质结构的基本特性所谓半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜， 依先后次序沉积在同一基座上如图所示，就是利用半导体 异质结构制作的激光器件之基本架构光线镓金属、棊宦一1n - Ah. I &肝 丄訂 A1A s ―p-GaAa活化庵p - Altij GaQnAs/ At 卞Gag 強& £ -二 / / /剖金属丿/ ^p-AtjjGaajAs上吃務子分布区半导体异质结构激光器件的基本组士i— f\!-? J i' ■. r rA为了说明半导体异质结构的基本特性，就以最简单的结 构作为例子，如图所示中间有一层砷化镓，其被二边的砷 化铝镓夹住，因为砷化镓的能隙较砷化铝镓小，所以就产生 了如图下半部的能带排列结构，以下简单描述一些半导体异 质结构的特性1）量子效应因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中 间层内，而中间层可以只有几十埃（1埃=10-1米）的厚度， 因此在如此小的空间内，电子的特性会受到量子效应的影响 而改变。

例如：能阶量子化、基态能量增加、能态密度改变 等，其中能态密度与能阶位置，是决定电子特性很重要的因 素2）迁移率（Mobility）变大半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在 一般的半导体材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而降低其 行动能力然而在异质结构中，可将杂质加在两边的夹层中， 该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量（如 图所示）因此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的 行动就不会因杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以 大大增加，这是高速组件的基本要素3）奇异的二度空间特性因为电子被局限在中间层内，其沿夹层的方向是不能自 由运动的，因此该电子只剩下二个自由度的空间，半导体异 质结构因而提供了一个非常好的物理系统可用于研究低维度 的物理特性低维度的电子特性相当不同于三维度，如电子 束缚能的增加、电子与空穴复合率变大、量子霍尔效应、分 数霍尔效应等科学家利用低维度的特性，已经作出各式各 样的组件，其中就包含有光纤通讯中的高速光电组件4）人造材料工程学半导体异质结构之中间层或是两旁的夹层，可因需要不 同而改变例如以砷化镓来说，镓可以被铝或铟取代，而砷 可以用磷、锑、或氮取代，所设计出来的材料特性因而变化 多端，因此有“人造材料工程学”的名词出现。

最近科学家 将锰原子取代镓，因而发现具有铁磁性的现象，引起很大的 重视，因为日后的半导体组件，有可能因此而利用电子自旋 的特性此外，在半导体异质结构中，如果邻近两层的原子 间距不相同，原子的排列会被迫与下层相同，那么原子间就 会有应力存在，该应力会改变电子的能带结构与行为现在 该应力的大小已经可由长晶技术控制，因此科学家又多了一 个可调变半导体材料的因素，产生更多新颖的组件，例如硅 锗异质结构高速晶体管从以上的描述，可以理解半导体异质结构提供了一个很 好的方向，可以用来调变半导体的特性，不论是在学术上或 是应用上都具有很大的潜力然而，该项研究在早期却受到 很大的质疑，主要原因是使用什么样的方法，才能长出平整 的薄膜，而且只具有一个原子大小的厚度著名的物理学家 江崎(Esaki, 1973年诺贝尔物理学奖得主)，早期有关此方 面的论文曾被(Physical Review Le tt ers)退稿，其中评审 的意见是“理论太过简单，而实验上不可行”，至今他仍然忿 忿不平因此在此领域的研究先驱，必须有足够的胆识与毅 力才能有今日的成就半导体异质结构的应用(1) 发光组件(light emitting devices, LED)因为半导体异质结构能将电子与空穴局限在中间层内， 电子与空穴的复合率因而增加，所以发光的效率较大。

同时 改变量子井的宽度亦可以控制发光的频率，所以现今的半导 体发光组件，大都是由异质结构所组成半导体异质结构发 光组件，相比于其它的发光组件，具有高效率、省电、耐用 等优点，因此广泛应用于剎车灯、交通号志灯、户外展示灯 等灯具1993年，日本科学家研发出蓝色光的半导体组件， 使得光的三原色：红、绿、蓝，皆可用半导体制作，因此各 种颜色都可用半导体发光组件得到如今，LED照明已进入家 庭，开始大面积取代传统的照明灯具2) 激光二极管 半导体激光二极管的基本构造，与上述的发光组件极为 类似，只不过是激光二极管必须考虑到受激发光(stimulated emission)与共振的条件使用半导体异质结构，因电子与 空穴很容易掉到中间层，因此载流子数目反转(population inversion)较易达成，这是受激发光的必要条件，而且电子 与空穴因被局限在中间层内，其结合率较大此外，两旁夹 层的折射率与中间层不同，因而可以将光局限在中间层内， 致使光不会流失，而增加激光的强度因此利用异质结构制 作激光有很大的优点第一个室温且连续发射的半导体异质 结构激光，是在1970年由阿尔费罗夫领导的研究团队制作出 来的，而克勒默则早在1963年发展了有关半导体异质结构产 生激光的原理。

半导体激光二极管的应用范围亦相当广泛， 如激光唱盘、高速光纤通讯、激光打印机、激光笔等3) 异质结构双极晶体管( heterojunction bipolar transistor, HBT)在半导体异质结构中，中间层有较低的能带，因此电子 很容易就由旁边的夹层注入，因此在晶体三极管中由发射极 经过基极到集电极的电流，就可以大为提高，晶体管的放大 倍率也为之增加同时，由于基极的厚度可以减小，其掺杂 浓度可以增加，因而反应速率变大，所以得以制作出快速晶 体管利用半导体异质结构制作晶体管的建议与其特性分析， 是由克勒默在1957提出的半导体异质结构双极晶体管因具 有快速、高放大倍率的优点，因而广泛应用于人造卫星通讯 和移动等设备中4） 高速电子迁移率晶体管（high electronmobility transistor, HEMT）高速电子迁移率晶体管，就是利用半导体异质结构中杂 质与电子在空间上可以被分隔的优点，电子得以有很高的迁 移率在此结构中，改变闸极（gate）的电压，就可以控制 由源极（source）到泄极（drain）的电流，而达到放大的目 的因该组件具有很高的响应频率（达到600GHz）且低噪声 的优点，因此广泛应用于无线与太空通讯以及天文观测。

5） 其它应用半导体异质结构除了用于上述组件外，还大量使用于其 它光电组件，如光侦测器、太阳能电池、标准电阻或是光电 调制器等又因为长晶技术的进展，单层原子厚度的薄膜已 能控制，因此半导体异质结构提供了高品质的低维度系统， 让科学家能满足探求低维度现象的要求除了在二度空间观 测到量子与分数量子霍尔效应外，科学家已进一步在探求异 质结构中的一维与零维的电子行为，预期将来还会陆续有新 奇的现象被发掘，也会有更多新颖的异质结构组件出现集成电路的演进集成电路因涉及将不同组件制作在同一芯片上，因此其 成就较偏重于技术突破，对于物理原理的贡献较少然而其 影响层面极为深远，从计算机、洗衣机、电视、汽车、手表、 医疗器材等，涵盖了所有现代的电子科技产品，其重要性以 及对人类生活的影响难以估量发明集成电路的人，除了基尔比外，还必须归功于诺伊 斯（Robert Noyce）虽然基尔比在1958年首先制作出第一个 集成电路组件，然而诺伊斯是第一个得到集成电路专利的人 并且真正使用于大量制造集成电路的材料组合（硅、二氧化 硅、铝）也是诺伊斯提出来的，他同时又是现今全世界最大 的半导体公司英特尔（Intel）的共同创办人，诺伊斯在1990 年过逝。

随着集成电路的发明，电子科技的微小化速率非常快速， 使得电子工业突飞猛进在这个发展过程中，1947年晶体管 的发明也扮演了相当重要的角色相比于真空管，晶体管具 有体积小、省电、耐用的优点，因此晶体管的三个发明者在 1956年共同获得了诺贝尔奖任职于英特尔公司的摩尔（Moore）提出了一个经验定律: 每隔18年—24个月，每单位面积的芯片所包含的电子元件数 目会增加一倍以微处器芯片来说，从1971年每个芯片含有 2300个晶体管，1982年的134000个，1993年的3100000个， 到2000年的8000000个，可说进展神速再以另一个重要的集成电路芯片——半导体内存为例 从1970年的1kb，1986年的1Mb,到2000年的1Gb,在这三 十年中，内存的容量增加了一百万倍而内存中最重要的元 件：金属氧化物半导体场效应管（M0SFET）,其闸极的宽度也 从15微米一路降到0.18微米（现在已达到纳米级）因为功 能如此强大的集成电路能被压缩在很小的体积内，信息的传 递、运算、组织才得以快速准确，而信息的运作工具，得以 变得轻、薄、短、小，使之能携带方便，进而为一般大众接 受，导致人类生活形态。