無(wú)處不在的半導(dǎo)體

　　自上世紀(jì)中期投入應(yīng)用以來(lái)，半導(dǎo)體已經(jīng)深入到人們的生活、學(xué)習(xí)和工作的方方面面，給電子工業(yè)帶來(lái)革命性的影響。但是這個(gè)時(shí)刻陪伴身邊的半導(dǎo)體究竟是什么？
　　中國(guó)科學(xué)院王占國(guó)院士同半導(dǎo)體打了一輩子交道，他這樣回答：半導(dǎo)體是介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類(lèi)材料。它有四個(gè)特點(diǎn)：熱敏性，與金屬不同，半導(dǎo)體的電阻與溫度變化是相反的，電阻越小溫度越高；光敏性，光一照，它的電導(dǎo)就發(fā)生變化；光伏效應(yīng)，光照產(chǎn)生光電壓；整流效應(yīng)，從A端到B端是通的，從B端到A端就不通了。
　　半導(dǎo)體的特性為我們帶來(lái)了無(wú)窮益處：“如發(fā)射一噸重的衛(wèi)星，假如用晶體管代替電子管重量可減輕100千克，就可以節(jié)省9噸的燃料。它不僅廣泛應(yīng)用在航空航天、人造衛(wèi)星等高科技領(lǐng)域，而且是我們生活中不可或缺的：醫(yī)學(xué)上的核磁共振儀，日常用的收音機(jī)、電視機(jī)、洗衣機(jī)、微波爐、電冰箱、電子表、手機(jī)……里面核心控制的設(shè)備都是半導(dǎo)體。半導(dǎo)體應(yīng)該說(shuō)是無(wú)孔不入、無(wú)處不在。”
　　硅作為半導(dǎo)體材料的代表，現(xiàn)在已經(jīng)成為微電子技術(shù)的基礎(chǔ)材料，我們用的電子元器件和電路的90%都是硅材料。使用硅材料做集成電路，產(chǎn)值已達(dá)到每年約3000億美元，由硅材料做成的器件和電路可以拉動(dòng)幾萬(wàn)億美元的電子產(chǎn)業(yè)，半導(dǎo)體硅材料可以說(shuō)是信息時(shí)代的基礎(chǔ)。

王占國(guó)（前左）在國(guó)際會(huì)議上與瑞典皇家科學(xué)院院士Lars Samuelson 交談

　　追隨一生的半導(dǎo)體

　　王占國(guó)1938年12月29日生于河南鎮(zhèn)平。1962年畢業(yè)于南開(kāi)大學(xué)物理系，同年到中科院半導(dǎo)體所工作。從那時(shí)起，他的人生腳步，就沒(méi)有離開(kāi)過(guò)半導(dǎo)體這個(gè)領(lǐng)域。
　　參加工作以后，王占國(guó)致力于半導(dǎo)體材料光電性質(zhì)和硅太陽(yáng)電池輻照效應(yīng)研究。其中，硅太陽(yáng)電池電子輻照效應(yīng)研究成果為我國(guó)人造衛(wèi)星用硅太陽(yáng)電池定型(由PN改為NP)投產(chǎn)起了關(guān)鍵作用。
　　1971～1980年，他負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、建成了低溫電學(xué)測(cè)量和光致發(fā)光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)GaAs和其它III-V族化合物半導(dǎo)體材料的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。其中，體GaAs熱學(xué)和強(qiáng)場(chǎng)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及與林蘭英先生一起提出的“GaAs質(zhì)量的雜質(zhì)控制觀點(diǎn)”，對(duì)我國(guó)70年代末純度GaAs材料研制方向的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移和GaAs外延材料質(zhì)量在80年代初達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平貢獻(xiàn)了力量。
　　1980～1983年，經(jīng)黃昆和林蘭英兩位所長(zhǎng)推薦，他赴國(guó)際著名的深能級(jí)研究中心瑞典隆德大學(xué)固體物理系，從事半導(dǎo)體深能級(jí)物理和光譜物理研究。在該領(lǐng)域權(quán)威H.G.Grimmeiss教授等的支持和合作下，做出了多項(xiàng)有國(guó)際影響的工作：提出了識(shí)別兩個(gè)深能級(jí)共存系統(tǒng)兩者是否是同一缺陷不同能態(tài)新方法,解決了國(guó)際上對(duì)GaAs中A、B能級(jí)和硅中金受主及金施主能級(jí)本質(zhì)的長(zhǎng)期爭(zhēng)論；提出了混晶半導(dǎo)體中深能級(jí)展寬和光譜譜線(xiàn)分裂的物理新模型,解釋了它們的物理實(shí)質(zhì)；澄清和識(shí)別了一些長(zhǎng)期被錯(cuò)誤指派的GaAs中與銅等相關(guān)的發(fā)光中心等。
　　1984～1993年，在半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)及性質(zhì)研究中,提出了GaAs電學(xué)補(bǔ)償五能級(jí)模型和電學(xué)補(bǔ)償新判據(jù),為提高GaAs質(zhì)量、器件與電路的成品率提供了依據(jù)。與人合作，提出了直拉硅中新施主微觀結(jié)構(gòu)新模型,摒棄了新施主微觀結(jié)構(gòu)直接與氧相關(guān)的傳統(tǒng)觀點(diǎn),成功地解釋了現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)事實(shí),預(yù)示了它的新行為；與龔秀英等同事合作，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了超長(zhǎng)波長(zhǎng)銻化物材料生長(zhǎng)和性質(zhì)研究,并首先在國(guó)內(nèi)研制成功InGaAsSb,AlGaAsSb材料及紅外探測(cè)器和激光器原型器件。
　　他協(xié)助林蘭英先生,開(kāi)拓了我國(guó)微重力半導(dǎo)體材料科學(xué)研究新領(lǐng)域,首次在太空從熔體中生長(zhǎng)出GaAs單晶并對(duì)其光、電性質(zhì)作了系統(tǒng)研究,受到國(guó)內(nèi)外同行的高度評(píng)價(jià)。

2008年12月王占國(guó)于北京

2007年5月22日王占國(guó)院士（二排左五）與同事和學(xué)生合影

　　新科技革命的起點(diǎn)

　　硅集成電路的器件尺度不可能無(wú)限減小，摩爾定律在硅器件尺寸減小到一定程度的時(shí)候，會(huì)遇到量子效應(yīng)、功耗問(wèn)題、隧穿問(wèn)題等等，這就限制了現(xiàn)有模式的繼續(xù)發(fā)展。國(guó)際上預(yù)計(jì)，2022年硅集成電路器件的最小尺寸將達(dá)到10納米左右。
　　王占國(guó)認(rèn)為，半導(dǎo)體材料發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)是由三維體材料向二維超晶格量子阱、一維量子線(xiàn)和零維量子點(diǎn)方向發(fā)展。目前，基于GaAs和InP基的二維量子阱材料與器件已經(jīng)發(fā)展得很成熟，廣泛地應(yīng)用于光通信、移動(dòng)通信、微波通信的領(lǐng)域。量子線(xiàn)和量子點(diǎn)材料和器件及電路業(yè)已嶄露頭角，發(fā)展迅速。
　　王占國(guó)表示，半導(dǎo)體的潛力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有被挖掘出來(lái)，例如除了基于量子力學(xué)的量子信息技術(shù)之外，還有分子電子學(xué)、自旋電子學(xué)、納米電子學(xué)都在探索之中。半導(dǎo)體納米科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，將從原子、分子、納米尺度水平上，控制和制造功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的人工微結(jié)構(gòu)材料和基于它們的器件和電路。而這些，極有可能觸發(fā)新的技術(shù)革命，把我們?nèi)祟?lèi)帶入到更加美妙的時(shí)代，使人類(lèi)進(jìn)入變幻莫測(cè)的量子世界。