一文了解半導體的曆史、應用、未來 2018-10-15
1、半導體是信息化的基礎
上個世紀半導體大規模集成(chéng)電路、半導體激光器、以及各種(zhǒng)半導體器件的發(fā)明，對(duì)現代信息技術革命起(qǐ)了至關重要的作用，引發(fā)了一場新的全球性産業革命。
信息化是當今世界經(jīng)濟和社會(huì)發(fā)展的大趨勢，信息化水平已成(chéng)爲衡量一個國(guó)家和地區現代化的重要标志。
進(jìn)入21世紀，全世界都(dōu)在加快信息化建設步伐。
源于信息技術革命的需要，半導體物理、材料、器件將(jiāng)有新的更快的發(fā)展。
集成(chéng)電路的尺寸將(jiāng)越來越小，將(jiāng)出現新的量子效應器件；寬禁帶半導體代表了一個新的方向(xiàng)，將(jiāng)在短波長(cháng)激光器、白光發(fā)光管、高頻大功率器件等方面(miàn)有廣闊的應用；納米電子器件有可能(néng)作爲下一代的半導體微電子和光電子器件；利用單電子、單光子和自旋器件作爲量子調控，將(jiāng)在量子計算和量子通信的實用化中起(qǐ)關鍵作用。
2、晶體管的發(fā)明
1945年二次大戰結束時(shí)，美國(guó)貝爾實驗室總裁巴克萊爲了适應該室從戰時(shí)轉向(xiàng)和平時(shí)期的工作需要，決定成(chéng)立固體物理組，由肖克萊負責半導體物理小組，成(chéng)員有巴丁、布拉頓、吉布尼、穆爾等人。
肖克萊和巴丁是理論物理學(xué)家，布拉頓是實驗物理學(xué)家，吉布尼是物理化學(xué)家，穆爾是電路學(xué)家，這(zhè)種(zhǒng)專業人才的搭配對(duì)于半導體物理研究和晶體管的發(fā)明是個黃金搭配，精幹而高效。他們根據各自在30年代中期以後(hòu)的經(jīng)驗和後(hòu)來的考慮，從剛開(kāi)始成(chéng)立時(shí)，就(jiù)把重點放在半導體材料矽和鍺的研究上。
第二次世界大戰期間，英國(guó)用雷達偵察到了德國(guó)的轟炸機。雷達的核心就(jiù)是真空電子管，它能(néng)夠將(jiāng)微弱電流放大。肖克萊早在1939年就(jiù)準備制作能(néng)夠將(jiāng)電流放大的固體器件，以便取代真空電子管。1947年12月，巴丁和布拉頓制成(chéng)了世界上第一個鍺點接觸型三極管，具有電流放大作用。
巴丁和布拉頓的結果在1948年6月發(fā)表。點接觸晶體管的發(fā)明雖然揭開(kāi)了晶體管大發(fā)展的序幕，但由于它的結構複雜，性能(néng)差，體積大和難以制造等缺點，沒(méi)有得到工業界的推廣和應用，在社會(huì)上引起(qǐ)的反響不夠強烈。
1948年1月肖克萊在自己研究p-n結理論的基礎上發(fā)明了另一種(zhǒng)面(miàn)結型晶體管，并于1948年6月取得了專利。面(miàn)結型晶體管又稱場效應晶體管，它是平面(miàn)狀的（見圖3），可以通過(guò)一些平面(miàn)工藝（如擴散、掩膜等）進(jìn)行大規模生産。因此隻有在面(miàn)結型晶體管發(fā)明以後(hòu)，晶體管的優越性才很好(hǎo)地被(bèi)人認識，逐漸取代了真空電子管。
由于巴丁、布拉頓和肖克萊在晶體管和結型晶體管發(fā)明上的貢獻，在1956年獲得了諾貝爾物理獎。作爲半導體晶體管的第一個應用就(jiù)是索尼公司的便攜式收音機，風靡全球，賺了大錢。
3、集成(chéng)電路的發(fā)明
晶體管收音機比電子管收音機小多了，可以随身攜帶。但它是由晶體管、電阻、電容、磁性天線焊在一塊電路闆上，相互之間由導線相連。體積還(hái)比較大，裝配工藝複雜。
1958年美國(guó)政府設立了晶體管電路小型化基金，以便适應美國(guó)爲趕超前蘇聯發(fā)射的第一顆人造衛星的需要。那時(shí)，德克薩斯公司的基爾比承擔了這(zhè)一任務，試圖制造將(jiāng)晶體管、電阻器和電容器等包裝在一起(qǐ)的小型化電路。
1958年9月基爾比制成(chéng)了世界上第一個集成(chéng)電路振蕩器，這(zhè)一切都(dōu)記載在他當天的筆記中。基爾比發(fā)明的集成(chéng)電路在1959年2月取得了專利權，名稱爲“小型化電子電路”。
與此同時(shí)，美國(guó)加州菲切爾德（仙童）半導體公司的諾伊斯提出了用鋁連接晶體管的想法。在基爾比發(fā)明集成(chéng)電路5個月以後(hòu)，即1959年2月，他采用霍爾尼提出的平面(miàn)晶體管方法，在整個矽片上生成(chéng)SiO2掩膜，應用光刻技術按模闆刻成(chéng)窗口和引線通路，通過(guò)窗口擴散雜質，構成(chéng)基極、發(fā)射極和集電極，將(jiāng)金或鋁蒸發(fā)，因而制成(chéng)集成(chéng)電路。1959年7月諾伊斯的集成(chéng)電路取得了專利權，名稱爲“半導體器件與引線結構”。從此集成(chéng)電路走上了大規模發(fā)展的新時(shí)期。
4、太陽能(néng)電池的發(fā)明
爲了人造衛星的需要，1954年皮爾森和富勒利用磷和硼的擴散技術制成(chéng)了大面(miàn)積的矽p-n結太陽能(néng)電池，光電轉換效率達6%以上，超過(guò)了過(guò)去最好(hǎo)的太陽能(néng)轉換效率的15倍。它的制作成(chéng)本低廉，可以批量生産，因此很快得到了大規模的應用。
太陽能(néng)電池的工作原理是光生伏特效應。當光照射在半導體上時(shí)，在半導體中産生電子－空穴對(duì)。如果接通外電路，就(jiù)會(huì)有電流通過(guò)，這(zhè)就(jiù)是光生伏特效應。
太陽能(néng)電池的商業應用開(kāi)始于1958年，它被(bèi)選用爲美國(guó)第一個人造衛星Vanguard I的無線電發(fā)射機的電源。當前能(néng)源危機下，太陽能(néng)電池作爲一種(zhǒng)再生和無污染電源引起(qǐ)了人們極大的注意。
5、半導體激光器的發(fā)明
半導體發(fā)光管和激光器的工作原理和太陽能(néng)電池正好(hǎo)相反：太陽能(néng)電池是用光産生電，而發(fā)光管、激光器則用電産生光。用電流將(jiāng)電子和空穴分别引入半導體的導帶和價帶。電子和空穴複合，産生光子。
1962年美國(guó)霍爾用p-n同質結制成(chéng)了第一個半導體激光器。産生激光必須滿足3個條件：粒子數的反轉分布、諧振腔和電流超過(guò)一定阈值。
1963年美國(guó)的克勒默和蘇聯的阿爾費羅夫各自獨立地制成(chéng)了異質結激光器，也就(jiù)是在圖8中，結區用一種(zhǒng)禁帶寬度小的材料，如Ga[**]s；兩(liǎng)邊的p區和n區用另一種(zhǒng)禁帶寬度大的材料，如[**]lxGa1-x[**]s。這(zhè)樣(yàng)，發(fā)光區域被(bèi)限制在窄小結區中。
因此大大提高了發(fā)光效率，降低了激光器的阈值電流。1970年蘇聯的約飛研究所和美國(guó)的貝爾實驗室分别制成(chéng)了室溫下連續工作的雙異質結激光器，從而使半導體激光器在光通信中得到了廣泛的應用。
由于克勒默和阿爾費羅夫在發(fā)展半導體激光器方面(miàn)的重要貢獻，他們在2000年和集成(chéng)電路發(fā)明者基爾比一起(qǐ)獲得了諾貝爾物理獎。矽大規模集成(chéng)電路和半導體激光器的發(fā)明使得世界進(jìn)入了一個以微電子和光電子技術爲基礎的信息時(shí)代，大大促進(jìn)了社會(huì)和經(jīng)濟的發(fā)展。
6、分子束外延技術的發(fā)明
制造雙異質結激光器的一個關鍵技術是分子束外延。1968年貝爾實驗室的卓以和發(fā)現，在超高真空容器中通過(guò)精細控制束流的大小和時(shí)間，能(néng)夠按照需要生長(cháng)不同層數、不同種(zhǒng)類的半導體材料，因而發(fā)明了分子束外延技術。分子束外延設備的示意圖見圖11。
裝置内部處于超高真空條件下（10-10torr），蒸發(fā)爐内裝有原材料元素（如Ga、[**]s、[**]l等）的源。前面(miàn)是可以控制的擋闆，打開(kāi)擋闆，將(jiāng)被(bèi)蒸發(fā)的源原子直射至加熱的襯底上進(jìn)行外延生長(cháng)。目前用這(zhè)種(zhǒng)技術已經(jīng)能(néng)做到單原子層的生長(cháng)。裝置周圍是一些檢測儀器，用以監控生長(cháng)過(guò)程。
1、大規模集成(chéng)電路和計算機
大規模集成(chéng)電路爲計算機、網絡的發(fā)展打下了基礎。按照摩爾定律，集成(chéng)電路的集成(chéng)度以每18個月翻一番的速度發(fā)展，最近它的線度已達到幾十納米（毫米、微米、納米），每一個芯片上包含了上百億個元件。
計算機科學(xué)已經(jīng)發(fā)展到很高水平，無論是計算機的硬件還(hái)是軟件都(dōu)已十分成(chéng)熟，每秒萬億次甚至更高速度的計算機（天河：2000萬億次，世界第二）都(dōu)已問世，這(zhè)爲各種(zhǒng)高速運算、海量信息處理和轉換提供了有力的工具。
自從1943年計算機誕生以來，由于集成(chéng)電路的發(fā)明，計算機向(xiàng)著(zhe)高運算速度、體積小型化方向(xiàng)飛速發(fā)展。目前世界主要發(fā)達國(guó)家和中國(guó)都(dōu)已擁有百萬億次以上浮點運算的大型計算機。中國(guó)制造和擁有這(zhè)種(zhǒng)超級計算機的數量在世界上據第二位，僅次于美國(guó)。
這(zhè)種(zhǒng)超級計算機能(néng)用于分析蛋白質、開(kāi)發(fā)新藥等，在軍事(shì)上可用于模拟核爆炸、解密碼等。需要說明的是制造這(zhè)種(zhǒng)計算機所需的大規模集成(chéng)電路中國(guó)還(hái)很落後(hòu)，大部分還(hái)需進(jìn)口。
2、光通信技術
以前長(cháng)距離通信靠長(cháng)途電話或電報。因爲通話數目少，價錢很貴。1966年英國(guó)标準通信實驗室的高锟（K. C. Kao）提出用無雜質高透明度的玻璃纖維傳輸激光信号。如果它的損耗能(néng)低到20分貝/公裡(lǐ)，則就(jiù)能(néng)實現長(cháng)距離光通信。
1970年紐約康甯玻璃廠的毛瑞爾（R. D. Maurer）等用“澱積工藝”將(jiāng)四氯化矽蒸氣經(jīng)過(guò)火焰水解，制成(chéng)密實的玻璃管，再加熱後(hòu)通過(guò)模子拉制成(chéng)細的玻璃纖維。低損耗的玻璃纖維的誕生是光通信技術的裡(lǐ)程碑進(jìn)展。
1976年美國(guó)貝爾實驗室在亞特蘭大進(jìn)行了第一次光通信實地實驗，取得了很好(hǎo)的效果。光纖的平均功率損耗爲6分貝/公裡(lǐ)，無差錯傳輸信息超過(guò)10.9公裡(lǐ)，相當于通過(guò)光纖環路17周。1976年12月貝爾實驗室宣布：光波通信通過(guò)了它的首次檢驗，光波通信的可能(néng)性已經(jīng)得到證明。從此宣告了光通信時(shí)代的來臨，并預示著(zhe)微電子時(shí)代向(xiàng)光電子時(shí)代的序幕正式揭開(kāi)了。
今天，電信網絡、計算機網絡和有線電視網絡已經(jīng)成(chéng)爲一個國(guó)家重要基礎設施，所有政治、經(jīng)濟、軍事(shì)、科技活動以至人們日常生活時(shí)刻都(dōu)離不開(kāi)這(zhè)三網。我國(guó)現有電話用戶8億5千萬，其中移動手機用戶4億8千萬，是世界上最大的電信網絡。計算機上網用戶已達1.37億，有線電視用戶達1.3億，占世界三分之一。
將(jiāng)來的趨勢是三網合一。現在的手機上網已經(jīng)很普遍了，這(zhè)方面(miàn)美國(guó)的蘋果公司走在了前面(miàn)。
光有不同的顔色和波長(cháng)。不是所有顔色的光都(dōu)能(néng)在光纖中傳播。
光纖的損耗分别在1450-1550nm和1250-1350nm處具有最低值和次低值，因此是光纖通信的2個主要窗口。爲了讓一根光纖能(néng)傳播盡量多的信息通道(dào)，采用了波分複用的光通信系統，就(jiù)是把這(zhè)2個波段劃分成(chéng)很窄的波長(cháng)，每個波長(cháng)形成(chéng)一定的通信容量。將(jiāng)不同波長(cháng)的信号通過(guò)一根光纖傳至對(duì)方，再經(jīng)過(guò)解複用，由光檢測器恢複原來以不同波長(cháng)傳遞的電信号。由于光信号在傳遞中會(huì)逐步衰減，爲了達到長(cháng)距離傳輸的目的，每隔一定距離需要通過(guò)摻铒光纖放大器將(jiāng)其信号放大。
3、無線通信技術（手機）
無線通信的基礎是蜂窩式移動電話，它的早期制式是貝爾實驗室在1978年推出的“先進(jìn)移動電話服務”系統（[**]MPS）。該系統是將(jiāng)服務的區域分成(chéng)許多小的六角形的地理區域（cell），就(jiù)像蜂窩一樣(yàng)（見圖19）。每個小區内有低功率的無線電話發(fā)射器、接收器和一個控制系統，形成(chéng)一個基站。
各服務區的基站通過(guò)光纖連接到中央交換實體（移動電話局），該實體裝有電子交換系統。基站網絡追蹤移動終端的位置，當移動終端到達另一小區時(shí)能(néng)自動與鄰近的基站重建聯系，以便繼續通話。由于小區内的無線通話功率低，隻影響限定的範圍，因而與别的小區的通信信号不會(huì)産生幹擾。
第一個[**]MPS系統在1979年7月在芝加哥試驗成(chéng)功。1992年4月，[**]T&T公司微電子集團宣布制成(chéng)新一代數字蜂窩電話的集成(chéng)電路芯片，使該公司成(chéng)爲移動通信數字信号處理元件的領先供應者。這(zhè)種(zhǒng)數字信号處理器構成(chéng)DSP1600系列，它使手機的體積和功率大大減小，在市場上大受用戶歡迎。
除了手機通信以外，還(hái)有其它的無線通信手段（見圖20），包括：衛星傳輸高清晰度電視、衛星間通訊、多點視頻通訊、無線局域網、交通工具之間的通訊、以及防撞雷達等。它們的工作頻率在微波波段，從幾個GHz到100GHz。
各種(zhǒng)無線通信及其工作頻率。波段從微米到毫米波段，頻率爲20-80 GHz。
無線通訊中最關鍵的器件是半導體高頻振蕩器件，目前有2種(zhǒng)：高電子遷移率晶體管（HEMT）和異質結雙極晶體管（HBT）。它們實際上就(jiù)是典型的三極管，但由于利用分子束外延技術，n-p-n每一層都(dōu)可以做得很薄，縮小了電子運動的路徑，具有高的截止頻率fT。目前這(zhè)兩(liǎng)種(zhǒng)器件的截止頻率都(dōu)已達到了100GHz以上，滿足了無線通信的需要。
npn型雙極晶體管截面(miàn)圖
4、半導體太陽電池——太陽電池用矽材料
太陽電池用矽材料主要包括：直拉矽單晶、非晶矽、帶狀矽和薄膜多晶矽，這(zhè)些材料在實驗室和産業中制成(chéng)的太陽電池的效率如圖22。
目前鑄造多晶矽占太陽能(néng)電池材料的47.54％，是最主要的太陽電池材料。到2004年，鑄造多晶矽的市場份額已經(jīng)超過(guò)53％。直拉單晶矽占35.17％，占據第二位，而非晶矽薄膜占8.3％，位于第三位，而化合物半導體CuInSe和CdTe僅占0.6％。
不同的半導體材料在實驗室和産業中制成(chéng)的太陽電池效率
5、半導體太陽電池——多晶矽太陽電池
直到上世紀90年代，太陽能(néng)光伏工業還(hái)是主要建立在矽單晶的基礎上。雖然矽單晶電池的成(chéng)本在不斷下降，但是和常規電力相比還(hái)是缺乏競争力，因此，不斷降低成(chéng)本是光伏界追求的目标。
自上世紀80年代鑄造多晶矽 的發(fā)明和應用以來，增長(cháng)迅速。它以相對(duì)低成(chéng)本、高效率的優勢不斷擠占單晶矽的市場，成(chéng)爲最有競争力的太陽電池材料，到本世紀初，已占到50％以上，已經(jīng)成(chéng)爲最主要的太陽電池材料。
鑄造多晶矽矽片的表面(miàn)光學(xué)照片
到目前爲止，鑄造多晶矽的晶錠重量已經(jīng)達到300 kg，太陽電池片的尺寸達到210×210 mm2。到本世紀初，多晶矽太陽電池的效率達到20.3%。在實際生産中，鑄造多晶矽太陽電池的最高效率也達到17.7％左右，接近直拉矽單晶太陽電池的光電轉換效率。
6、半導體太陽電池——非晶矽薄膜太陽電池
今日非晶矽薄膜太陽電池已發(fā)展成(chéng)爲實用廉價的太陽電池品種(zhǒng)之一，具有相當的工業規模。世界上非晶矽太陽電池的總組件生産能(néng)力達到每年50MW以上，組件及相關産品的銷售額在10億美元以上。應用範圍小到手表、計算器電源，大到10MW級的獨立電站，對(duì)太陽能(néng)光伏的發(fā)展起(qǐ)了重要的推動作用。
和晶體矽相比，非晶矽薄膜具有制備工藝簡單、成(chéng)本低和可大面(miàn)積連續生産的優點。在太陽電池領域，其優點具體表現爲：
（1）材料和制造工藝成(chéng)本低。這(zhè)是因爲非晶矽薄膜太陽電池是制備在廉價的襯底材料上，如玻璃、不鏽鋼、塑料等，其價格低廉；而且，非晶矽薄膜僅有數千埃厚度，不足晶體矽電池厚度的百分之一，這(zhè)也大大降低了矽原材料的成(chéng)本；進(jìn)一步而言，非晶矽制備是在低溫進(jìn)行，其沉積溫度爲100℃~300℃，顯然，規模生産的能(néng)耗小，可以大幅度降低成(chéng)本。
（2）易于形成(chéng)大規模生産能(néng)力。
（3）多品種(zhǒng)和多用途。
（4）易實現柔性電池。非晶矽可以制備在柔性的襯底上，而且它的矽網結構力學(xué)性能(néng)特殊，因此，它可以制備成(chéng)輕型、柔性太陽電池，易于和建築集成(chéng)，以及各種(zhǒng)日常用品。
但是，和晶體矽相比，非晶矽太陽電池的效率相對(duì)較低，在實驗室電池的穩定的最高轉換效率隻有16％左右；在實際生産線上，效率不超過(guò)10％；而且，非晶矽太陽電池的光電轉化效率在太陽光的長(cháng)期照射下有嚴重地衰減，到目前爲止仍然沒(méi)有根本解決。
另外，還(hái)有軍事(shì)和衛星用的化合物太陽能(néng)疊層電池。
7、半導體白光照明
➤1.發(fā)展半導體白光照明意義
氮化镓發(fā)光管（LED）是一種(zhǒng)高效長(cháng)壽命的固态照明光源。白熾燈、熒光燈是目前面(miàn)廣量大的傳統白光照明光源。白熾燈是一種(zhǒng)熱光（色溫2800Ｋ），含有大量的紅外線，工作壽命短，發(fā)光效率低，而熒光燈則是一種(zhǒng)冷光，高效率，但壽命短，有毒（含汞)。與傳統的白熾燈和熒光燈相比，氮化镓發(fā)光管是一種(zhǒng)具有體積小、重量輕、電壓低、效率高、壽命長(cháng)等特點的固态照明冷光源，因此是一種(zhǒng)節能(néng)、綠色照明光源。
氮化镓LED目前已經(jīng)用在許多場合：景觀燈、交通燈、汽車尾燈、大屏幕顯示燈。
能(néng)源是經(jīng)濟、社會(huì)可持續發(fā)展不可缺少的要素，節約能(néng)源、提高能(néng)效是可持續發(fā)展能(néng)源的重大戰略。據統計，全世界“照明”耗能(néng)約占總電功率的20％。由于LED高效發(fā)光，LED白光照明可節省大量的發(fā)電煤和原油使用量，全球每年可減少25億噸CO2排放量。
因此，氮化镓LED白光照明具有巨大的市場前景，將(jiāng)來成(chéng)本和效率問題解決以後(hòu)，可代替目前廣泛使用的白熾燈和熒光燈，引發(fā)一次白光照明技術革命。國(guó)際上把半導體照明光源中期目标（5-10年内）定爲>100 lm/W，2020年達到200 lm/W或300 lm/W，這(zhè)樣(yàng)就(jiù)可替代傳統照明。
➤2.氮化镓LED白光照明的技術途徑
衆所周知，由紅(Red)、綠(Green)、藍（Blue）三基色可合成(chéng)白光，如圖24所示。該圖爲1931色度圖，三角形中央虛線區爲白光區。氮化镓LED一般隻能(néng)發(fā)出一種(zhǒng)顔色的光。白光照明也要通過(guò)RGB三基色的合成(chéng)來實現。RGB三基色可以直接靠LED發(fā)射三基色光，也可用LED去激發(fā)熒光物質，通過(guò)二次光轉換獲得三基色光或準三基色光。
所以，實現氮化镓LED白光照明有兩(liǎng)種(zhǒng)技術途徑：一種(zhǒng)是利用氮化镓發(fā)光二極管（LED）去激發(fā)熒光物質轉換成(chéng)白光，可稱作爲“二次光轉換白光技術”；另一種(zhǒng)是利用LED直接發(fā)射白光，可稱作爲“直接發(fā)射白光技術”。
➤3. LED白光照明技術發(fā)展方向(xiàng)
（1）研究發(fā)展近紫外、深紫外LED器件，實現高顯色指數的“固體白光熒光燈”。這(zhè)種(zhǒng)白光技術具有顯色指數高（CRI>90）、轉換效率高（外量子效率43%），色彩重現性高等特點，是一種(zhǒng)較理想的白光源。
（2）研究發(fā)展III族氮化物LED直接發(fā)射白光技術
（3）研究提高LED發(fā)光效率、光通量，發(fā)展功率型LED其器件
傳統白熾燈發(fā)光效率爲16 lm/W，熒光燈發(fā)光效率爲85 lm/W，因此，Ⅲ族氮化物LED白光照明光源要替代白熾燈和熒光燈，其發(fā)光效率至少要超過(guò)100 lm/W，同時(shí)要降低成(chéng)本。
8、光盤存儲和激光測距、激光打印、激光儀器
光盤存儲和激光測距、激光打印、激光儀器等是半導體激光器的另一重大應用領域。CD盤（隻讀聲盤）、DVD（數值可視盤）所用的激光器波長(cháng)分别爲780nm和670nm、650nm，由激光器將(jiāng)信息“寫”入光盤或者從光盤上“讀”出聲音或光信号。激光器的波長(cháng)越短，光盤存儲密度就(jiù)越高。波長(cháng)爲410nm的InGaN激光器可以將(jiāng)光盤的存儲量再提高一大步。波長(cháng)爲670-630nm的InGa[**]lP激光器已在許多場合取代了He－Ne激光器，在激光測距、激光打印、激光醫療儀器中得到了重要的應用。
9、半導體激光器的軍事(shì)應用
波長(cháng)爲808nm的[**]lGa[**]s大功率激光器是大功率Y[**]G（摻钇鋁石榴石）固體激光器的泵浦光源，代替了原來的氙氣激光器，取消了龐大的電源和冷卻系統，使固體激光器變得高效率、小體積、高性能(néng)、長(cháng)壽命、低成(chéng)本，适合于軍事(shì)應用，例如激光雷達和核爆炸模拟、核聚變研究。水下光傳播的窗口爲590nm，藍綠光激光器的誕生爲水下通信開(kāi)了綠燈。火箭、飛機飛行過(guò)程中掌握方向(xiàng)的光纖陀螺中最關鍵的器件是半導體超輻射發(fā)光二極管。
10、環境保護
大自然中，水汽、甲烷、氨氣、二氧化碳、一氧化碳、鹽酸、溴酸、硫化氫等氣體的靈敏吸收峰在1.5-2.0mm範圍。In[**]sSb或GaIn[**]sSb應變量子阱激光器的波長(cháng)可達1.0-4.0mm範圍，近年來出現的量子級聯激光器的波長(cháng)可達4.0-17mm。這(zhè)些覆蓋了紅外－遠紅外範圍的各類激光，構成(chéng)了大氣監控、監測的環保衛士。
1、信息技術的革命
信息傳輸。信息量的爆炸式的增加，對(duì)信息通道(dào)的容量要求越來越大。在網上傳遞的不僅是文字、而且還(hái)有音樂、圖像、電視信号等；不僅是有線，還(hái)需要無線；不僅是洲際、國(guó)際、城際，而且需要局域網。爲此需要發(fā)展新的通信系統，如綜合業務數字網絡（ISDN）以及多媒體技術等。
信息處理，包括文本處理、知識處理、圖像處理以及語言識别、圖像識别、智能(néng)化處理等。人工智能(néng)就(jiù)是通過(guò)計算機實現了某些人的智能(néng)。例如：理解和發(fā)出語言、識别圖像、作數學(xué)證明、下棋、音樂作曲、進(jìn)行專業鑒定、醫學(xué)診斷等。計算機將(jiāng)把人們從一部分日常的腦力勞動中解放出來，并且通過(guò)應用“思維工具”把人們的智慧擴大到以前不可想象的程度。
2、更高的集成(chéng)度
世界集成(chéng)電路主流工藝將(jiāng)經(jīng)過(guò)：2007年的65納米（集成(chéng)電路線寬）、2010年的45納米、2013年的33納米、以及2016年的22納米工業化生産的4個發(fā)展階段。爲此，就(jiù)必須解決一系列的關鍵技術和專用設備，如：新型器件的研發(fā)（非傳統CMOS器件、新型存儲器、邏輯器件等），IC設計、封裝、和測試技術，新型光刻機、刻蝕機等配套設備等。
半導體器件的尺寸不能(néng)無限制地減小，如果器件尺寸小到電子的德波羅依波長(cháng)（10納米），量子效應將(jiāng)會(huì)更加明顯，這(zhè)時(shí)需要設計建立在量子力學(xué)原理基礎上的新型半導體器件。
3、半導體光電器件
半導體光電器件向(xiàng)更長(cháng)和更短波長(cháng)、更大功率、更高工作頻率的方向(xiàng)發(fā)展
大功率激光器列陣分準連續(QCW)器件與連續(CW)器件，它們除了作固體激光器的泵浦源外，還(hái)可直接用作材料加工、醫療、儀器、敏感技術、印刷制版等，進(jìn)入傳統中由非半導體激光器主宰的市場，代替氣體、固體激光器。[**]lGaN/GaN異質結雙極晶體管具有線性好(hǎo)、電流容量大、阈值電流均勻等優點，主要應用在線性度要求高、工作環境苛刻的大功率微波系統中，如軍用雷達、通信等；還(hái)可應用于在苛刻環境下工作的智能(néng)機器人等系統中。
4、集成(chéng)光學(xué)和集成(chéng)光電子學(xué)
由集成(chéng)在半導體薄膜上的激光器、調制器、波導、光栅、棱鏡和其它無源光學(xué)元件構成(chéng)的系統叫(jiào)做集成(chéng)光學(xué)系統。集成(chéng)光學(xué)系統用光互連代替電互連，在計算機和通信系統中具有通帶寬、信息量大、損耗小、速度快、能(néng)并行處理、抗電磁幹擾等優點。矽材料的成(chéng)本低廉、工藝成(chéng)熟，在微電子器件中得到廣泛應用。但是由于它是間接帶隙材料，不能(néng)作發(fā)光器件。目前科學(xué)家們正在解決光源的問題，以便在矽材料上做到光電集成(chéng)。
5、半導體超晶格和量子線、量子點器件
半導體超晶格、量子線、量子點是低維結構，它們具有一些特殊的物理性質，如量子限制效應和電子運動的二維或一維特性，可以制成(chéng)一些性能(néng)優異的器件，如：激光器、高電子遷移率器件、光雙穩器件、共振隧穿器件等。當器件的尺寸、維度進(jìn)一步減小，使得電子運動的平均自由程大于器件的尺寸時(shí)，電子在運動過(guò)程中將(jiāng)不受雜質、晶格振動等的散射，而作一種(zhǒng)相幹波運動。
利用這(zhè)些特點預計可制造出超高速、超低電能(néng)的電子器件。例如量子點單電子晶體管將(jiāng)使動态随機存儲器（DR[**]M）的功耗大大降低。
6、半導體量子信息器件
目前的工藝已經(jīng)能(néng)在半導體量子點上産生和探測單個光子，使得半導體量子點成(chéng)爲實現量子信息處理（量子計算、量子通信）最有希望的固體器件。量子信息科學(xué)技術的迅速發(fā)展，爲精密測量、量子計算和保密通訊等領域都(dōu)提供了全新的革命性的理論和實驗方法。量子信息最關鍵的是利用光子的相幹性。
光子作爲量子理論中最基本的量子化實體，能(néng)夠很容易地實現收集、傳遞、複制、存儲和處理信息的全過(guò)程，具有作爲量子通訊、量子計算載體的獨特的先天優勢。因此基于光子過(guò)程的量子信息處理器件是各種(zhǒng)量子信息工程的基礎，它的基本原理研究和制備必將(jiāng)爲計算科學(xué)和通訊能(néng)力帶來飛越式的發(fā)展。
7、自旋電子器件
目前微電子器件是應用載流子電荷攜帶信息。如果一種(zhǒng)材料能(néng)同時(shí)利用載流子的電荷和自旋屬性作爲信息的載體，將(jiāng)可以制造出具有非揮發(fā)、低功耗、高速和高集成(chéng)度的優點的器件，甚至有可能(néng)引起(qǐ)電子信息科學(xué)重大的變革。摻磁性離子的稀磁半導體及自旋電子學(xué)（Spintronics）即應此要求而生。
實驗發(fā)現，半導體中自旋相幹時(shí)間已經(jīng)達到ns量級，遠遠超過(guò)電荷的相幹時(shí)間，預示著(zhe)自旋電子學(xué)在未來量子計算和量子通信中的重要應用前景。實現自旋爲基的量子計算機的主要困難是精确控制和保持自旋相幹，因此如何産生自旋相幹電子态，以及減小自旋退相幹有許多物理問題需要研究和解決。
來源：中科院半導體所