半导体异质结及其在电子和光电子中的应用——2000年诺贝尔物理奖评述
2000年诺贝尔物理学奖——信息技术方面的基础性工作
2000年诺贝尔物理学奖——信息技术方面的基础性工作2000年诺贝尔物理学奖授予俄罗斯科学家泽罗斯〃阿尔费罗夫、美国科学家赫伯特〃克勒默和杰克〃基尔比，他们因在“信息技术方面的基础性工作”而获本年度诺贝尔物理学奖。
若尔斯-阿尔费罗夫，来自俄罗斯圣彼得堡约飞物理技术学院，1930年3月15日出生于白俄罗斯的维捷布斯克，1952年毕业于列宁格勒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年间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，目前任约飞学院院长，俄罗斯科学院副院长。
瑞典皇家科学院发布的新闻公报说，三位科学家“通过发明快速晶体管、激光二极管和集成电路”，为现代信息技术奠定了坚实基础。
其中，阿尔费罗夫和克勒默将分享今年一半的诺贝尔物理学奖奖金，以表彰他们在半导体异质结构研究方面的开创性工作。
基尔比则因在发明集成电路中所作的贡献，而获得了总额为９００万瑞典克朗（约合１００万美元）的奖金的另一半。
现代信息技术近几十年深刻改变了人类社会，它的发展必须具备两个简单但又是基本的先决条件：一是快速，即短时间里传输大量信息；二是体积小，携带起来方便，在任何场合都能使用。
三位科学家的成果满足了这两个要求。
阿尔费罗夫与克勒默为满足上述第一个先决条件作出了重要贡献。
他们发明的半导体异质结构技术，已广泛应用于制造高速光电子和微电子元件。
所谓异质结构半导体，主要由很多不同带隙的薄层组成。
目前，通信卫星和移动电话基站等都采用了异质结构技术制造的快速晶体管。
利用异质结构技术制造的激光二极管，也使光纤电缆传输因特网信息得以实现。
半导体异质结构技术还可用于制造发光二极管，汽车刹车灯和交通灯等都用到发光二极管，常用的电灯在未来也有可能被发光二极管取而代之。
赫伯特-克勒默，来自美国加利福尼亚大学，他于1952年获得德国哥丁根大学理论物理学硕士学位，毕业后一直致力于研究半导体设备。
2000年诺贝尔物理学奖
Zhores I.Alferov和Herbert Kroemer发明和发展了快速光电和微电子元件，这 些元件都是基于被称为半导体异质结构的层积式半导体结构,Jack S.Kilby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。他们的工作奠定了现代信息技术的基础。 Zhores I. Alferov 1930年出生于白俄罗斯（当时的苏联）的 Vitebsk。1970年获得圣彼得堡约飞物理技术学院物理和数学博士学位。 1979年当选俄罗斯科学院院士。1971，成为美国富兰克林研究所终身会 员。1990年，当选美国科学院、美国工程院外籍院士。从1987年开始， 成为圣彼得堡约飞物理技术学院的院长。在半导体技术领域里，他有3 本著作，300篇科学论文，以及50项发明。 Herbert Kroemer 1928年出生于德国。1952年获得德国哥廷根大学 理论物理学博士学位。他的博士论文的题目是在晶体管中热电子的效应， 这成为他从事半导体和半导体设备物理研究职业生涯的开端。他曾在德 国和美国的许多研究实验室工作过。1954～1957年，受聘于美国普林斯 顿RCA实验室。1959～1966年， 在美国加州帕洛阿尔托瓦赖纳工作。 1968～1976年，美国卡罗拉多大学的物理学教授，以后成为加州圣巴巴 拉加州大学的物理学教授。 Jack S. Kilby 1923年出生于美国密苏里杰斐逊城。1958起受聘于 德克萨斯仪器公司。1978～1985年，美国德克萨斯A＆M大学教授。他因 对集成线路的发明和发展的主要贡献而获得诺贝尔奖。这一发明使微电 子学成为所有现代技术的基础。
Байду номын сангаас
半导体异质结的作用
半导体异质结的作用
1.提升光生电子-空穴对分离迁移效率：通过结合两种晶体结构、原子间距与膨胀系数
相近的半导体材料，异质结能够促进光生电子-空穴对的分离与迁移。
这种分离迁移效率的提升有助于增强光吸收能力及提高半导体材料的稳定性。
2.形成内建电场：异质结通常以内建电场的形式促进光生电子-空穴对的分离与迁移。
在p-n结中，p型半导体主要以正电荷（空穴）导电，而n型半导体主要以负电荷（电子）导电。
当它们构成异质结后，正负电荷受电磁力的影响互相吸引，最终在两种半导体的界面处形成电偶层，构成方向为n指向p的内建电场。
这个内建电场有助于光生电子与空穴分别向两侧迁移，一方面促进了光生电子-空穴对的产生，另一方面也减小了光生电子与空穴相遇复合的几率。
3.在电子器件中的应用：半导体异质结构对半导体技术具有重大影响，是高频晶体管
和光电子器件的关键成分。
例如，在双极晶体管中，当异质结用作基极-发射极结时，会产生极高的正向增益和低反向增益，从而转化为非常好的高频工作和低漏电流。
在场效应晶体管中，异质结用于高电子迁移率晶体管，可以在更高的频率下工作。
半导体异质结诺贝尔物理奖
半导体异质结诺贝尔物理奖
半导体异质结诺贝尔物理奖是1994年度的诺贝尔物理学奖，颁发给了三位科学家：日本籍物理学家中村修二、美籍物理学家伊恩·赫伯特和德国籍物理学家赫尔曼·克罗默。
他们因为在半导体材料的研究中取得的突破性成果而获得了这一殊荣。
半导体异质结是由不同材料组成的结构，其中至少有两种半导体材料。
这种结构的形成使得电子在材料之间的运动变得更加复杂，这也使得半导体异质结成为了一种非常有用的电子器件。
例如，半导体异质结可以用于制造光电二极管、激光器、太阳能电池等电子器件。
中村修二在20世纪80年代初期发明了一种新的半导体材料，即蓝色LED。
这种LED的发明使得人们可以制造出更加高效的白光LED，这也为照明领域的发展带来了巨大的推动力。
伊恩·赫伯特和赫尔曼·克罗默则在20世纪70年代末期发明了一种新的半导体器件，即量子阱。
这种器件可以控制电子在半导体异质结中的运动，从而实现更加高效的电子器件。
这些科学家的研究成果对于电子科技的发展产生了深远的影响。
他们的发明不仅推动了电子器件的发展，而且还为绿色能源的发展提供了支持。
今天，半导体异质结已经成为了电子器件中不可或缺的一部分，而这些科学家的研究成果也为我们的生活带来了巨大的便利。
(完整word版)2000年诺贝尔物理奖简介
2000年诺贝尔物理奖简介——半导体研究的突破性进展若尔斯阿尔费罗夫基尔比赫伯特克勒默2000年的诺贝尔物理奖，颁给俄罗斯艾尔菲物理技术学院(Ioffe Physico-Technical Institute)的阿法洛夫(Z. I. Alferov)、美国加州圣塔巴巴拉大学的克洛姆(H. Kroemer)、以及美国德州仪器公司的基尔比(J. S. Kilby)。
他们三个人的得奖理由，是因为研究成果奠定了现代信息科技的基石，尤其是有关于快速晶体管、激光二极管和集成电路的发明。
人类的文明历经石器时代、农业社会、工业社会，到现在已步入了信息社会。
现今的信息科技进展快速，着实令人目不暇给，我们正面临着另一次的文化变革。
我们现在透过计算机能很快地接收或传递世界各地的信息，经由光纤因特网能和全球各式各样的社群交往；而借着人造卫星，行动电话可以图一半导体异质结构激光的基本组无孔不入的找到需要沟通的人。
二十年前，我们很难想象信息科技会将人类社会引导入如此的境地，而现在它正变化快速地向不可知的未来迈进。
导致现代信息科技发展的两个主要条件，就是组成信息系统的组件必需运作快速，且必需是轻、薄、短、小。
这些电子组件因为运件快速，所以能在短时间内处理大量信息；又因为体积很小，所以能随身携带，为一般的家庭、办公室所接受。
阿法洛夫和克拉姆利用半导体异质结构所发明的快速，光电组件是现代信息科技的必备组件，例如人造卫星与行动电话中的快速晶体管，在光纤中传递讯息的激光二极管，以及激光唱盘所使用的激光。
基尔比所发明的集成电路，将各种不同的电子组件聚集在同一芯片上，使得功能强大、复杂的电路系统能被微小化，促成了现今微电子工业的蓬勃发展。
以下就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，以及未来的展望。
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，依先后次序沈积在同一基座上。
例如图一所描述的就是利用半导体异质结构所作成的激光之基本架构。
半导体及其在光电化学中的应用介绍
按照化学成分可分为元素半导体 和化合物半导体两大类。
能带结构与电子状态
能带结构
半导体的能带结构包括价带、导带和 禁带三部分，其中价带被电子填满， 导带为空，禁带则位于价带和导带之 间。
电子状态
在绝对零度下，半导体中的电子都位 于价带中，随着温度的升高，部分电 子会获得足够的能量跃迁至导带中， 形成自由电子。
结构特点
硅基太阳能电池通常采用P-N结结构，由P型硅和N型硅组成。P型硅富含空穴，N型硅富含电子。在P-N结界面 处，由于浓度差形成内建电场，促使光生电子和空穴分离。
薄膜太阳能电池技术进展
薄膜材料
薄膜太阳能电池采用厚度仅有几微米的半导体材料，如碲化镉、铜铟镓硒等。这些材料具有优异的光 电性能和低成本潜力。
技术进展
近年来，薄膜太阳能电池的转换效率不断提高，同时制造成本也在逐渐降低。柔性衬底和卷对卷生产 工艺的发展使得薄膜太阳能电池在可穿戴设备和便携式电源等领域具有广阔应用前景。
多结太阳能电池性能提升途径
多结结构
多结太阳能电池由多个不同禁带宽度的半导体材料组成，可以吸收不同波长的太阳光， 提高光电转换效率。
性能提升途径
通过优化各结的材料组合、改进结构设计、提高制造工艺水平等方法，可以进一步提高 多结太阳能电池的转换效率和稳定性。
新型太阳能电池材料探索
钙钛矿材料
钙钛矿材料具有优异的光电性能和低成 本潜力，被认为是下一代太阳能电池的 候选材料之一。目前，钙钛矿太阳能电 池的转换效率已达到较高水平，但仍需 解决稳定性等问题。
以提高器件的响应速度、灵敏度和信噪比。
采用先进技术
03
如微纳加工技术、表面等离子体共振技术等，提高光电传感器
的集成度、降低噪声等。
2000年诺贝尔奖改变世界的集成电路
世界上第一台计算机于1946年在美国宾 夕法尼亚大学诞生。发明Байду номын сангаас是美国人约 翰· 阿塔那索夫（Atanasoff）教授。它是 一个庞然大物，用了18000个电子管， 占地170平方米，重达30吨，耗电功率 约150千瓦，每秒钟可进行5000次运算。 电子管计算机由于使用的电子管体积很 大，耗电量大，易发热，因而工作的时 间不能太长。
1947 年 12 月，美国贝尔实验室的肖 克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组， 研制出一种点接触型的锗晶体管。 晶体管是一种固体半导体器件，具 有检波、整流、放大、开关、稳压、 信号调制等多种功能。
晶体管
集成电路（IC）
基尔比在自述中说：“在大学里，我的大部 分课程都是有关电力方面的，但因为我童年 时对于电子技术的兴趣，我也选修了一些电 子管技术方面的课程。我毕业于 1947 年， 正好是贝尔实验室宣布发明了晶体管的前一 年，这意味着我的电子管技术课程将要全部 作废。” 晶体管虽然取代笨重不稳定的电子管，但 随电路系统不断扩张，元件愈来愈大，却遇 到新瓶颈。尤其生产一颗晶体管的成本高达 十美元，怎么缩小元件体积，降低成本，变 成应用上的大问题。 基尔比脑中渐渐形成了一个天才想法：电阻、 电容这两种无源元件可以用与晶体管相同的 材料制造，而既然所有元器件都可以用同一 块材料制造，那么这些部件可以预先在同一 块材料上就地制造，再相互连接，最终形成 完整的电路。
1959 年，仙童半导体公司的罗伯 特· 罗伊斯申请了更为复杂的硅集 成电路，并马上投入了商业领域。 但基尔比首先申请了专利，因此， 罗伊斯被认为是集成电路的共同 发明人。 被许多人视为“硅谷之父”的罗 伯特· 诺伊斯1990年因心脏病发作 去世，享年62岁。与他人共同成 立世界上最重要的两家芯片公司： 仙童半导体和英特尔，并且是有 史以来最重要电子器件集成电路 的发明者之一。
2000---2010年诺贝尔物理学奖
2000年诺贝尔物理学奖——半导体研究的突破性进展2000年诺贝尔物理学奖授予三位科学家，表彰他们在移动电话及半导体研究中获得突破性进展。
他们分别是俄罗斯圣彼得堡约飞物理技术学院的若尔斯阿尔费罗夫、美国加利福尼亚大学的赫伯特克勒默和德州仪器公司的杰克S基尔比。
他们的工作奠定了现代信息技术的基础，特别是他们发明的快速晶体管、激光二极管和集成电路(芯片)。
2001年诺贝尔物理学奖玻色爱因斯坦冷凝态的研究2001年诺贝尔物理学奖由3位物理学家共享。
获得者为美国科罗拉多大学的埃里克·康奈尔（Eric A.Cornell）教授、美国麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle ）教授和美国科罗拉多大学的卡尔·维曼（Carl E. Wieman）教授，他们的主要研究工作为原子物理领域中的"稀薄碱性原子气体的玻色爱因斯坦冷凝态的研究"和"对冷凝物的早期基础研究工作"2002年诺贝尔物理学奖——天体物理学领域的卓越贡献2002年度诺贝尔物理奖授予美国科学家雷蒙德-戴维斯、日本科学家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)和美国科学家里卡多-贾科尼。
雷蒙德－戴维斯来自于美国宾夕法尼亚大学物理天文学系，小柴是日本东京大学初级粒子物理国际研究中心已经东京大学的科学家，瑞典皇家科学院认为他们“在天体物理学领域做出卓越贡献，尤其是他们发现了宇宙中的微中子”。
另一位获奖的是美国华盛顿特区联合大学的里卡多-贾科尼，以表彰他“在天体物理学领域取得的卓越成就，尤其是他的研究引导发现了宇宙X射线源”。
2003年诺贝尔物理学奖 -----在超导体和超流体理论上作出的开创性贡献阿列克谢·阿布里科索夫（美俄双重国籍）、维塔利·金茨堡（俄）、安东尼·莱格特（英美双重国籍）瑞典皇家科学院说，超导和超流是存在于量子物理中的两种现象，三位科学家的研究成果对此做出了决定性的贡献。
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到 半 导 体异 质 结 的 最 重 要优 越性 是 ：载 流 子 的超
中 的 应 用 也 提 出 了 许 多 有 益 的 构 想 。 几 年 以后 ，到
尔 费罗 夫 （ｈ ｒｓ Ｉ ｌ ｒｖ、美 国加 利福 尼亚 大 学 Ｚ ｏ ． ｆ ｏ） ￣ Ａｅ 的克勒 默 《 ｅｂ ｒ Ｋ ｏｍｅ）和德 州 仪 器公 司 的基 Ｈ ｒｅ ｒｅ ｒ ｔ
尔 比 （ ｃ ．ｉ ｙ，以表 彰他 们 为现代 信 息技术 ， Ｊ ｋｓＫｌ ） ａ ｂ
生长 技术 ，从 美 国贝尔实 验室卓 以和先生 的开创性 工作 ，又经过 张立 纲 、曾焕添 等人 出色 的工 作 ，使 分 子 束外 延 （ Ｅ）成 为 Ⅲ一 ＭＢ Ｖ族 化 合 物 半 导 体 异
质 结 量子 阱 生长 的重 要 手 段 。在 马纳 新 维 特 （ Ｈ． Ｍａ ａ ｉ 最 早 提 出 金 属 有 机 物 化 学 汽 相 淀 积 ［ ￣ｖ ） ｎ ｔ
即使其 导 电类型不 同 ，都 为同质结 。
２ ０世 纪 ３ Ｏ年 代初 期 ，苏 联列 宁格 勒 约飞 技术 物 理研 究 所 的 学者 就 开始 了对半 导 体 异 质结 构 的 探 索 。在 此 前后 ，弗伦 克 （ ａ ．ｒｎ １ Ｙ ．Ｆｅｋ ）预见 了激 Ｉ 子现 象并发 展 了半导 体异 质结 中的激 子理论 。
俄 罗 斯 科 学 院 圣 彼 得 堡 约 飞 技 术 物 理 研 究 所 的 阿
作 为 晶体 管 的发 明者 ， 肖克 利 （ Ｓ ｏ ｋｅ ） ｗ． ｃ ｌ ｈ ｙ 在 第 一个 关 于 ｐ ｎ结 晶体 管 的专 利 中 、就 提 出 用宽 禁带发 射 区来 实现单 向注入 的建议 。但 是 ，早 期异 质结 理论 最 重要 的开拓 者 当 属美 国学 者 赫伯 特 ・ 克 勒 默 。早 在 １ ５ ９ ７年 ，他 就预 言异 质 结 有着 比同质 结 大得 多 的注入效 率 ，同时对 异质 结在 太阳能 电池
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专蒙论谈
Ｅｘ ｒ Ｆｏ ｕｍ ｐｅ ｔ ｒ
半导体异质结及其在 电子和光 电子 中的应 用
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２ ０ 年 诺 贝 尔物 理 奖 评 述 ００
陈 良惠
（ 中科 院 半 导 体 所 ，北 京 １ ０ ８ ） ０ ０ ３
瑞 典 皇 家科 学 院 ２ ０ ０ ０年 １ ０月 １ ０日宣 布 ，将 本 年 度诺 贝尔 物 理 学 奖授 予 三位 科 学 家 ，他 们 是
费 罗 夫 提 出 利 用 双 注 入 获 得 高 密 度 的 载 流 子 注 入 和
奖 ，这 项 发 明使微 电 子学 成 为 所 有 现 代 技 术 的基
础
反转 粒子 密度 的可行 性 ，并特 别 指 出 ．同质结 激 光 阿尔 费 罗 夫 和克 勒 默 则 是 由于 他 们 在 半 导 体 器 在温度 较高 时 ，要 实现连续 激 射是 不可能 的 。 克 勒默 还建议用 双异 质结 来限制 有源 区 中的载 流子 。他指 出 ，用异 质结 问的注入现 象 ，可 以实现 很 多 间接带半 导体 的激射 ，也可改 善直接 带半导 体 的激 射 。历 史证 明 ，在 以 同 质结 激 光 器 为 标 志 的 ２ ０世纪 ６ ｏ年 代 ，半 导体激 光器 只能在 低温 、脉 冲 下工 作 。只有 当异 质结 概念 引入 半导体激 光 器并在 实 验 上 得 到实 现 ，才 翻 开 了 半导 体 激 光器 的新 一
本 文转 载 于 ２０ ０ １年 科 学 发展 报 告
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； 妒２０ 年 期 子 术 ０２ 第１
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专 寐论谈
Ｅｘ ｒ Ｆｏ ｕｍ ｐｅ ！ ｒ
等 应 用 都 进 入 了 新 的 时 期 。 其 后 ，美 国 、 苏 联 、 英 国 、 日本 以 及 包 括 巴 西 、 波 兰 和 中 国 在 内 的 许 多 大 学 和 研 究 所 都 展 开 ｊ异 质 结 和 Ⅲ一 族 化 合 物 ． Ｖ 电 子 和 光 电 子 器 件 的 研 究 热 潮 此 时 ，人 们 意 识
特 别 是他 们 发 明 的高 速 晶体 管 、激 光 二极 管 和集 成 电路 （ 芯片 ）所 作 出的 奠基性 贡献 ： 基 尔 比由 于 发 明 并 发 展 了 集 成 电 路技 术而 获
１６ ９ ３年 前 后 ，苏联 学 者 阿 尔 费罗 夫 和 美 国 的克 勒 默独 立地提 出基 于双异 质结 的激 光器 的概 念 阿 尔
１７ ９ ０年 苏联 的 阿尔 费 罗 夫小 组 和美 国贝 尔 实 验 室 Ｉ ａａｈ 和 潘 尼 斯 （ ＢＰ ｎｓ）等 发 表 了激 ． ｙ ｓｉ Ｈ Ｍ．．ａ ｉ ｈ 动 人 心的 以异质结 为基 础的半 导体激 光器 室温连 续 激 射 ，这也是 激光 器 的第二 里程碑 。从此 、摆脱 了 杜 瓦瓶 的连 续工作 的半 导体激 光器 开始得 到 真正 的应用 ，使 光通信 、光 存储 、光信 息处理 、光计算
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异 质结 及其 在 电子 和 光 电子学 中 的 应用 方 面 的 突 出贡献而 获奖 应该 说 ，现 在 的半 导 体器 件 采用 异 质结 器 件 ， 可 以全 面提 高其 性 能 没 有 异 质结 ，很 难想 象 当 今 物 理 学 会 是 什 么样 子 。异 质 结 意 指 不 同物 质 之 间 的界面 （ 即结 ） ，而半 导体 异 质结 则 专 指 不 同单 晶半 导 体 之 间 的 晶体 界 面 。从 能 带 角 度 来 看 ，异 质 结 系 指 不 同 禁 带 宽 度 的 半 导 体 的 界 面 ；反 之 ， 如果 界 面两侧 是 具 有相 同禁 带宽度 的半导 体 组 成 ，