2000 年诺贝尔物理学奖——现代信息技术

2000 年诺贝尔物理学奖的一半授予俄罗斯圣彼得堡约飞物理技术学院的阿尔费罗夫（Zhores I.Alferov，1930— ）和美国加州圣巴尔巴拉加州大学的克勒默（Herbert Kroemer，1928— ），以表彰他们在半导体异质结构研究方面的开创性工作；另一半授予美国得克萨斯州（Texas）达拉斯（Dallas）德州仪器公司的基尔比（Jack S.Kilby，1923—2005），以表彰他在发明集成电路中所作的贡献。

现代信息技术是最重要的全球技术之一，对人类有着深远影响。它是把工业社会改变成以信息与知识为基础的社会的推动力，其重要性可与书籍的印刷相比拟。然而，现代信息技术使信息和知识的传播要快得多，它的影响在几年或几十年内就可见效，而书籍则要历经数百年。仅仅在过去的 10 年里，个人计算机就在社会的各个角落：家庭、办公室、学校、工厂、医院普及。因特网把全世界联系到了一起。移动电话和高速光纤宽频网络在最近的几年里迅速覆盖全球，必将掀起一场更大规模的社会变革。电子革命确实改变了，也正在改变着世界的面貌，导致新经济的出现。这种新经济就是电子经济，伴随电子经济的将是充斥整个社会的电子商务、电子邮件、电子书籍、电子新闻、电子拍卖等，似乎什么都要跟电子发生联系。

这一年三位诺贝尔物理学奖得主的发明正是为现代信息技术奠定了稳固的基础。阿尔费罗夫和克勒默发明和发展了快速光电和微电子元件，这些元件都是基于称为半导体异质结构的层积式半导体结构。运用异质技术做成的快速晶体管已经用在诸如移动电话的无线电连接卫星和基地站上。由同样的技术做成的激光二极管正在驱动因特网光缆中的信息。它们用在光盘播放机、条码阅读器和激光教鞭中。运用异质技术制成的发光二极管可以发出很强的光，广泛用作汽车刹车灯、信号灯和警告灯。电灯将来很可能会被发光二极管取代。

基尔比得奖是由于他参与了集成电路，也即芯片的发明和发展。由于集成电路的发明，微电子学已成为所有现代技术发展的基础。从洗衣机、汽车到太空探测器、计算机层析和磁共振照相等医学诊断设备，都需要计算机和处理器来收集数据、处理数据和进行控制，都离不开微电子技术。

集成电路引发了真正的电子革命

20 世纪 60 年代初，仅在集成电路刚刚发明不久，硅谷的先驱者之一的摩尔（Gordon Moore）提出了一个经验定律，其内容是对于同样的芯片价格，集成电路的性能，包括其上的元器件数目，每 18 ~ 24 个月增加一倍。这就是著名的摩尔定律。值得注意的是，过了几乎 40 年，这条定律仍然保持有效，集成电路的性能一直在加倍！当然，加倍不可能总是这样延续下去。这就激发了物理学家致力于探索其他类型的微电子学元件。

怎样估计集成电路的意义呢？

应该说，1947 年巴丁等人发现晶体管效应具有划时代的伟大意义，可以看成是现代半导体时代的发端。又过了好几年才使晶体管发展成为有用的器件，而真空电子管在上半个世纪已经发展成高度复杂的器件。开始时晶体管只是作为真空电子管的代替品，晶体管更小、更可靠，比电子管消耗更少的能量。因此，电子系统中元器件的数量可以大大增多，这一进步当然也是非常巨大的，但是在本质上没有太大的区别。如果科学的发展只是停留在以晶体管代替电子管，就根本不可能达到现在的水平。可以说，只有在电子学中引进了集成电路，才能说开始了真正的电子革命。当然，集成电路的诞生也离不开半导体技术的发展。正是由于半导体技术的发展引起了固体物理学和材料科学研究的高涨。一个重要的突破是把硅引进为晶体管材料，这是得克萨斯仪器公司的蒂尔在 1954 年首先演示的。后来发现，就地氧化的硅是很理想的绝缘体，而且硅和二氧化硅的界面研究得最为彻底。这就为集成电路的发明准备了条件。

在集成电路发明之后十年左右，已经可以把足够的元器件连接在一个集成电路之中，以便把整个处理器安置在一块单个芯片中。微处理器是在 20 世纪 70 年代初发明的。这一新器件后来成了一系列应用的动力，并且使个人计算机有可能大大发展。就像蒸汽机是工业革命的主力机械一样，个人计算机也成了信息和知识革命中的主力机械。计算机连接在信息网络之中，相互通信。这就代表了两门主要技术：计算机技术和通信技术的结合。随着对处理和传输速度越来越高的要求，不仅芯片上的元件数是重要的，而且元件的速度也很重要。元件做得越来越小，能耗越来越少可以部分地达到这一目的。但是最终还需求助于新的材料和新的半导体结构。当创造信息和处理信息的能力提高了，必然会提出把信息储存在记忆体或储存库里的更高要求。快速随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等大容量储存技术急速发展，既增大了容量，又降低了价格。由于集成电路的发明，微电子学已成为所有现代技术发展的基础，微型芯片的广泛应用，使我们周围的环境到处都是小型电子装置，可以说，集成电路成了现代科学技术最重要的核心器件之一，它几乎无处不在，极大地影响了人类的生活，深刻地改变了社会的面貌，而且这种影响和改变远未完结。

集成电路的发明

把几个晶体管组合在同样一块半导体晶体上的观念在 20 世纪 50 年代初已经很流行，例如，达默（W.A.Dummer）在英国的一次会议上讲到电子学的可靠性时说过：“随着晶体管的出现和半导体工作的普遍化，现在似乎可以设想在固体板块中的电子设备无需连接的导线。板块本身就包括了绝缘的导电层、整流和放大的材料，通过切割各层面积的办法直接把电学功能连接在一起。”

1958 年基尔比刚刚来到得克萨斯仪器公司任职。当时他对如何解决电路中元件数目越来越多的问题深感兴趣。由于无权享受休假，那年的暑期他独自留在实验室里。就在这年暑期，他演示了有可能把一个振荡器各种不同的分立元件全都在同一块作为基极材料的硅片上制作出来。他继续沿这一方向做下去，到了 9 月，他又证明有可能在一块锗片上制作整个电路，锗是当时生产线上流行的一种半导体材料。1959 年 2 月 6 日他为他的小型化电子线路的思想提出了一份专利申请书。平面晶体管和被动元件都可由金丝连接。基尔比在他的专利申请书中提到有可能以绝缘材料上沉积的金片作为导线，把不同部分连接起来。

大约与此同时，在另一家美国的实验室里也出现了类似的进展，加州仙童电子公司（Fairchild Electronics）的一位瑞士科学家洪尼（J.A.Hoerni）证明有可能利用平面工艺避免平面晶体管从半导体台基的表面上凸出。这在当时流行的技术中是不可避免的，因而造成了连接的困难。平面工艺使得导线能够更容易地沉积在半导体材料制成的芯片上。在同一家公司里的诺依斯（Robert Noyce）发现，铝金属可以很牢固地附着在硅和二氧化硅上。在 1959 年 1 月 23 日的实验室笔记上，他详细地描述了如何用铝作为导电条制作集成电路。他在 1959 年 7 月 30 日提交的专利申请，题为“半导体器件与导线结构”，在 1961 年 4 月 25 日得到批准。这比基尔比的专利批准的日期（1964 年 6 月）要早得多，尽管基尔比提出申请的时间要更早些。诺依斯和他的一些同事组成了一家新公司，这就是英特尔公司，专注于集成电路的发展。人们公认基尔比和诺依斯是集成电路的共同发明者。后来诺依斯成了“硅谷”的奠基人之一，并于 1990 年逝世。如果他能够多活 10 年，也许可以和基尔比共享诺贝尔奖。

双异质结半导体激光器的发明

首先要对什么是异质结构作些说明。早期的半导体是由同种材料的两个 P-N 结组成的，要么是锗，要么是硅，后来发现了异质结构，即由不同的材料组成晶体管。半导体异质结构一般是由两层以上不同材料所组成，它们各具不同的能带隙。这些材料可以是 GaAs 之类的化合物，也可以是 Si-Ge 之类的半导体合金。不同半导体的能隙宽度可根据使用的要求作适当调整，办法可以是取代半导体元素（例如，用 In 或者 Al 取代 Ga，用 P、Sb 或 N 取代 As），也可以通过改变合金的成分。有多种方法可用于形成不同半导体层之间的突变界面，例如分子束外延法（MBE）和金属有机化学沉积法（MOCVD）。运用这些方法在基片上会有一层一层的原子以适当的晶格常数向外生长。异质结构对科学有重大影响，是高频晶体管和光电子器件的关键成分。

比起普通的晶体管来，异质结晶体管的基极是由能带隙更小的半导体层构成，这就大大降低了电子的能量壁垒，从而大大增加了电子电流。同时空穴电流保持不变，于是放大倍数就大为增加。要减小放大倍数，只需令基极的掺杂量提高，并让基极更薄，就可以大大降低基极电阻，从而降低 RC 时间常数，于是就得到了快速晶体管。

从普通的晶体管到异质结晶体管，再到双异质结晶体管和双异质结半导体激光器，科学家们的执著追求取得了丰硕成果。

半导体物理学在 20 世纪 50 年代后期是热门课题，科学家很自然会想到，有没有可能在半导体内实现粒子数反转，从而运用半导体来充当微波激射器和激光器。纽曼（John v Neumann）就曾经在 1953 年亲自在笔记本上写下了他自己的想法：从半导体内的受激辐射得到光的放大，不过他并没有发表，只是逝世后才出现在他的文集中。1957 年有两位日本研究者曾经申请半导体激光器的专利，并于 1960 年得到批准。最深入的应该是苏联莫斯科的巴索夫小组，它们提出了一系列建议。1961 年他们建议用高度掺杂的简并半导体中的 P-N 结。他们的办法最后被证明是成功的。好几个地方都对这一方案作过详细分析。与此同时，实验也有了进展。1962 年初，苏联有一个科研小组报道说，他们观测到了 GaAs 二极管在 77 K 和高电流密度下运行时发出的光谱线有变窄的现象。美国麻省理工学院林肯实验室的凯斯（R.J.Keyes）和奎斯特（T.M.Quist）在那年 6 月报道，他们的 GaAs 二极管可达 85% 发光效率，不过发出的光是不相干的。在 7 月的国际固体器件研讨会上许多人报告了各自的工作，促使半导体激光器的竞赛白热化，大大地激励了同行的热情，其中包括来自通用电气公司研究和发展实验室的霍耳（Robert Hall），使他产生了半导体激光器的想法，回到实验室后，9 月就做成了能工作的半导体激光器。随后，又有一些人相继发表了做成半导体激光器的报告。其中有四处独立的小组得到的是极其相似的结果。三处是用 GaAs 的 P-N 结，不过，工作时都要置于 77 K 的液氮低温中，并需用高电流密度的微秒脉冲进行抽运。这些早期的半导体激光器都是“单结型”的，它们的电流阈值很高，量级达 10 000 A/cm²，只能在低温下以脉冲的方式运行，离实用还有相当距离，但是曙光已经出现。随后发展起来的是单异质结半导体激光器可以在室温下工作，但是仍然只能运用于脉冲型式。双异质结激光器是关键性的发展，它可以在室温下运用于连续波。

双异质结构激光器的原理是 1963 年克勒默发表的一篇论文中提出的。而列宁格勒（现为圣彼得堡）约飞物理技术研究所的阿尔费罗夫和卡扎林诺夫（R.F.Kazarinov）也独立地在其专利申请书中发表了同样的原理。处于反转态的载荷子集中在带隙更小的薄层里，这一薄层像三明治一祥嵌插在高带隙的各层之间，形成活性区。这些被激发的载荷子的密度变得越来越比掺杂的区域高。光子都限制在这一活性区内，带隙低而折射率高。于是，异质结构就像光导管一样工作，在高带隙的区域内光损失可以忽略不计。于是，引起激光效应的反转载流子和光子都集中在活性区里。这样就有可能在不加冷却的情况下大大降低阙电流并且实现连续操作。

从 1963 年提出概念到 1970 年第一台连续运行的激光器，有好几个研究小组对实际激光器的发展作出了贡献。约飞研究所阿尔费罗夫的小组作出了一系列发展。最早的 GaAsP/GaAs 结构被晶格匹配的 AlGaAs/GaAs 结构所代替，这种材料性能更优越。1968 年后半年获得了双异质结构的脉冲激光模，最后在 1970 年 5 月，这个小组发表了室温下连续激光器的报告。

20 世纪 60 年代苏联和西方处于冷战时代，因此在美国的贝尔实验室、国际商用机器公司（IBM）和美国无线电公司（RCA）的工业实验室中，异质结构存在着平行而又独立的发展。在美国的这场竞赛中，贝尔实验室的潘尼希（M.B.Panish）小组赢得了奖牌，他们关于室温下连续运行的报告是在 1970 年 6 月提交的，比阿尔费罗夫小组晚了一个月。不过，半导体激光器进一步发展成商业产品还是美国领先。

又过了一些年，基于双异质结的室温连续半导体激光器进入商业市场，大大地推动了信息技术的发展。时至今日，运用异质技术制成的半导体激光器已成为光缆通信中的关键元件，广泛用于信息传播和信息储存技术。

获奖者简历

阿尔费罗夫  1930 年 3 月 15 日出生于苏联的维捷布斯克，1952 年毕业于列宁格勒（现名圣彼得堡）的乌里扬诺夫电子技术学院电子系。自 1953 年起，他一直担任约飞物理技术学院科学委员会委员。他曾经获得物理学和数学博士学位，并于 1970—1971 年成为美国伊利诺伊大学访问学者。从 1962 年起，他一直致力于半导体异质结构的研究，1970 年进入列宁格勒约飞物理技术学院，从 1987 年起任该院院长。1972 年起兼任列宁格勒电子技术学院教授。他还是俄罗斯科学院副院长。

克勒默  1928 年 8 月 25 日出生于德国，1952 年获得德国哥丁根大学理论物理学博士学位，毕业后一直致力于研究半导体设备。他在许多地方工作过，其中有美国普林斯顿的美国无线电公司（RCA）实验室（1954—1957），美国加州帕罗阿尔塔（PaloAlto）的Varian联合公司（1959—1966），1968—1976 年在波尔德尔（Boulder）的科罗拉多（Colorado）大学担任物理学教授，以后一直在加利福尼亚大学圣巴巴拉分校任教授。

基尔比  1923 年 11 月 8 日出生于美国密苏里州的杰夫逊（Jefferson）市，基尔比在 1939—1945 年第二次世界大战期间在美国战略服务部（OSS）工作，1947 年从伊利诺伊大学毕业，1950 年在威斯康星大学获得电机工程硕士学位，1958 年加入得克萨斯仪器公司，1978—1985 年在得克萨斯的 A&M 大学任教授。他在大学刚毕业就开始从事消费电子产品的开发，加入得克萨斯仪器公司后从事计算机集成电路研究和开发。他是袖珍计算器的发明者之一，拥有 60 多项美国专利，是享有盛誉的一位发明者。2005 年 6 月 20 日基尔比在达拉斯因癌症去世。

官网链接，阿尔费罗夫论文链接，克勒默论文链接，基尔比论文链接。

发布时间：2024/1/6 18:55:55  阅读次数：381