■■物理雙月刊（廿二卷六期）2000年12月2000年諾貝爾物理獎簡介──半導體異質結構與積體電路陳永芳台大物理系2000年的諾貝爾物理獎，頒給俄羅斯艾爾菲物理技術學院(IoffePhysico-TechnicalInstitute)的阿法洛夫(Z.I.Alferov)、美國加州聖塔巴巴拉大學的克洛姆(H.Kroemer)、以及美國德州儀器公司的基爾比(J.S.Kilby)。他們三個人的得獎理由，是因為研究成果奠定了現代資訊科技的基石，尤其是有關於快速電晶體、雷射二極體和積體電路的發明。人類的文明歷經石器時代、農業社會、工業社會，到現在已步入了資訊社會。現今的資訊科技進展快速，著實令人目不暇給，我們正面臨著另一次的文化變革。我們現在透過電腦能很快地接收或傳遞世界各地的信息，經由光纖網際網路能和全球各式各樣的社群交往；而藉著人造衛星，行動電話可以無孔不入的找到需要溝通的人。二十年前，我們很難想像資訊科技會將人類社會引導入如此的境地，而現在它正變化快速地向不可知的未來邁進。圖一半導體異質結構雷射的基本組成。導致現代資訊科技發展的兩個主要條件，就是組成資訊系統的元件必需運作快速，且必需是輕、薄、短、小。這些電子元件因為運件快速，所以能在短時間內處理大量資訊；又因為體積很小，所以能隨身攜帶，為一般的家庭、辦公室所接受。阿法洛夫和克拉姆利用半導體異質結構所發明的快速，光電元件是現代資訊科技的必備元件，例如人造衛星與行動電話中的快速電晶體，在光纖中傳遞訊息的雷射二極體，以及雷射唱盤所使用的雷射。基爾比所發明的積體電路，將各種不同的電子元件聚集在同一晶片上，使得功能強大、複雜的電路系統能被微小化，促成了現今微電子工業的蓬勃發展。以下就簡單介紹半導體異質結構的基本特性與應用、積體電路的發展沿革，以及未來的展望。半導體異質結構的基本特性所謂半導體異質結構，就是將不同材料的半導體薄膜，依先後次序沈積在同一基座上。例如圖一所描述的就是利用半導體異質結構所作成的雷射之基本架構。為了說明半導體異質結構的基本特性，就以最簡單的結構作為例子，如圖二所示。在圖二中，中間有一層砷化鎵，其被二邊的砷化鋁鉀夾住，因為砷化鎵的能隙較砷化鋁鎵小，所以就產生了如圖二下半部的能帶排列結構，以下就簡單描述一些半導體異質結構的特性。(1)量子效應：因中間層的能階較低，電子很容易掉落下來被侷限在中間層，而中間層可以只有幾十埃（1埃＝10-10米）的厚度，因此在如此小的空間內，電子的特性會受到量子效應的影響而改變。例如：能階量子化、基態能量增加、能態密度改變等，其中能態密度與能階位置，是決定電子特性很重要的因素。圖二砷化鎵與砷化鋁鎵異質結構量子井的簡圖。圖三半導體異質結構的調制摻雜現象，其可將自由電子或雜質在空間上分隔。(2)遷移率(Mobility)變大：半導體的自由電子主要是由於外加雜質的貢獻，因此在一般的半導體材料中，自由電子會受到雜質的碰撞而減低其行動能力。然而在異質結構中，可將雜質加在兩邊的夾層中，該雜質所貢獻的電子會掉到中間層，因其有較低的能量（如圖三所示）。因此在空間上，電子與雜質是分開的，所以電子的行動就不會因雜質的碰撞而受到限制，因此其遷移率就可以大大增加，這是高速元件的基本要素。(3)奇異的二度空間特性：因為電子被侷限在中間層內，其沿夾層的方向是不能自由運動的，因此該電子只剩下二個自由度的空間，半導體異質結構因而提供了一個非常好的物理系統可用於研究低維度的物理特性。低維度的電子特性相當不同於三維者，如電子束縛能的增加、電子與電洞複合率變大，量子霍爾效應，分數霍爾效應.........等。科學家利用低維度的特性，已經已作出各式各樣的元件，其中就包含有光纖通訊中的高速光電元件，而量子與分數霍爾效應分別獲得諾貝爾物理獎。(4)人造材料工程學：半導體異質結構之中間層或是兩旁的夾層，可因需要不同而改變。例如以砷化鎵來說，鎵可以被鋁或銦取代，而砷可以用磷、銻、或氮取代，所設計出來的材料特性因而變化多端，因此有人造材料工程學的名詞出現。最近科學家將錳原子取代鎵，而發現具有鐵磁性的現象，引起很大的重視，因為日後的半導體元件，有可能因此而利用電子自旋的特性。此外，在半導體異質結構中，如果鄰近兩層的原子間距不相同，原子的排列會被迫與下層相同，那麼原子間就會有應力存在，該應力會改變電子的能帶結構與行為。現在該應力的大小已可由長晶技術控制，因此科學家又多了一個可調變半導體材料的因素，產生更多新穎的元件，例如矽鍺異質結構高速電晶體。從以上的描述，可以理解到半導體異質結構提供一個很好的方向，可以用來調變半導體的特性，不論是在學術上或是應用上都具有很大的潛力。然而該研究在早期確是受到很大的質疑，其主要原因在於要用什麼樣的方法，才能長出平整