半導體材料與器件在當代信息社會中扮演著核心角色，相關產(chǎn)品幾乎滲透了人類生活的各個角落。

1引言

讓我們將時間回溯到20 世紀30 年代，雖然半導體相關現(xiàn)象早有零星發(fā)現(xiàn)，但不少科學家仍對半導體的概念持懷疑態(tài)度。天才物理學家泡利一貫以尖銳且富有遠見的批評聞名，他曾說：“人們不應該去從事半導體研究，那里亂成一團，天知道半導體是否真實存在”。令人難以想象的是，隨著科學和技術爆炸式地進步發(fā)展，如今人類已經(jīng)大步邁入信息社會，半導體相關的各種產(chǎn)品成為人們學習、工作和相互溝通中不可或缺的工具。一些產(chǎn)品如智能手機等，由于幾乎時刻不離身，甚至被戲稱為人類的“外生器官”。

半導體不僅在實際應用中大放光彩，極大便利了人類生活，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟價值，而且在基礎科學研究領域也備受重視并斬獲頗豐。從諾貝爾獎的頒發(fā)歷史可以看出一些端倪——諾貝爾獎設立至今120 余年，與半導體相關的獲獎者就有20 人以上！細數(shù)之下，相關獲獎工作大多集中在近50 年間，更是對半導體科技成就的莫大肯定。泡利的上述斷言成為他著名的三大失誤之一(另兩個分別與電子自旋及弱相互作用中的宇稱不守恒相關)，為半導體科技的成功增加了一層傳奇色彩。

即便如此，似乎相當一部分人樂意就集成電路芯片發(fā)表高見，卻對半導體科技一知半解，這要歸因于半導體科學具有相對較高的認知門檻。是的，沒有量子力學和固體物理知識的輔助很難理解能帶理論中“帶隙”的概念，也就無法從本質上區(qū)分半導體與金屬和絕緣體的異同。不過沒關系，大家僅從半導體的字面意思去理解其概念也能夠掌握它的主要特點——半導體是導電能力介于導體和絕緣體之間的材料，其電導率橫跨范圍之廣，甚至高達13 個數(shù)量級！神奇的是，半導體電導率的數(shù)量級變化能夠通過輕微改變雜質的摻雜含量進行有效控制，而雜質濃度通常還不到宿主材料原子濃度的萬分之一！毫無疑問，半導體對雜質的高敏特性是一柄雙刃劍，無怪乎泡利當年會給出略顯抱怨的評價——畢竟在材料制備技術遠未能精確控制雜質濃度的情況下，各個實驗室乃至同一實驗室在不同時間段獲得大相徑庭的實驗結果也就不足為奇了。

不難想象，八十多年來半導體科技的迅猛發(fā)展以及相關產(chǎn)業(yè)的快速崛起，離不開科學家們在無數(shù)實驗中摸索并建立起來的半導體理論和技術，進而強力推動了材料生長和各種微納加工技術等的進步。相關制造加工技術反過來也極大地促進了半導體科技的發(fā)展，形成正反饋，使我們得以享受信息社會的各種便利。毋庸置疑，物性可控的半導體材料是半導體科技發(fā)展的基礎和保障，本文也將從半導體材料開始，逐步展開對半導體異質結構器件的描述。

2半導體材料

隨著人們對各種功能性材料的要求越來越高，對新型半導體材料的渴求與探索使得半導體材料家族迅速擴張。迄今為止，已知的半導體材料不下千種。起初，人們主要著眼于無機半導體的研究，并大致將主流半導體材料劃分為三代：(1)第一代半導體以IV 族材料Ge 和Si 為代表，也稱為“元素半導體”，主要應用于大規(guī)模集成電路中，實現(xiàn)邏輯和算術運算功能；(2)第二代半導體主要指以GaAs和InP 等為代表的化合物半導體，由于它們具有較高的發(fā)光效率和電子遷移率，在光電子器件、微波器件及高遷移率晶體管領域有廣泛的應用；(3)第三代半導體是以GaN和SiC 等為代表的寬禁帶半導體，在高功率電子器件和短波長半導體照明領域扮演關鍵角色，相較前兩代半導體材料可在更高溫度下穩(wěn)定工作，成為近年來半導體科技攻關領域的熱點之一。

仔細想來，上述分類方式實際上暗含了評價半導體材料的幾個關鍵指標，它們都與能帶理論緊密相關。為方便理解，圖1 給出了Si 和GaAs的能帶結構示意圖，即電子能量與波矢(準動量)的關系曲線。可以看到電子能量竟然無法在某一特定區(qū)域內取值！這塊電子禁入能量區(qū)被稱為半導體的“禁帶”，其寬度即為半導體的“帶隙”。以此為界，其上部區(qū)域稱為“導帶”，而下部區(qū)域稱為“價帶”。首先需要關注材料是“間接”還是“直接”帶隙半導體，前者是指導帶最低點(CBM) 和價帶最高點(VBM)所對應的波矢值不同，后者則反之。間接帶隙半導體中的載流子躍遷往往需要借助于“聲子”(聲子反映了晶格振動的相關特性)，因此發(fā)光效率較低。第二個指標是載流子的遷移率(表征了載流子在電場驅動下的加速能力)，該數(shù)值與其有效質量密切關聯(lián)，由能帶中某點處的曲率決定。第三是帶隙的大小，這是因為帶隙數(shù)值不僅決定了光電探測與發(fā)光器件適用的波長范圍，還部分標度了材料抵抗熱擾動的能力(或器件的工作溫度)。Si 和Ge 是間接帶隙半導體，雖然可以為半導體邏輯和存儲器件服務，在光電器件研發(fā)領域卻只能讓位于GaAs 等材料，而人們對大功率電力電子器件和高頻可見光器件的需求則推動了GaN等寬禁帶半導體的研發(fā)。

圖1 (a)間接帶隙半導體Si 和(b)直接帶隙半導體GaAs的能帶結構示意圖

需要指出的是，半導體材料不同代之間的劃分僅僅描述了人們對半導體材料需求隨時間的不斷演進，并不意味著第一和第二代半導體已經(jīng)退出歷史舞臺。實際上，第一代半導體Si 材料仍然占據(jù)半導體市場的絕大部分，不同材料共存更多是因為它們在功能實現(xiàn)上能起到互補作用。

雖然無機半導體材料已經(jīng)將很多夢想變?yōu)楝F(xiàn)實，但人類始終沒有停下探索半導體新材料的步伐。特別是當有機半導體聚乙炔分子被發(fā)現(xiàn)之后，追求器件柔性、逼真色彩和環(huán)境親和性的大眾似乎看到了實現(xiàn)夢想的捷徑，有機半導體的研究也如火如荼地開展起來了。典型的有機半導體材料包括富勒烯(C60)、并五苯和三亞苯等。如今，“人造皮膚”、“柔性顯示屏”、“智能繃帶”、“電子墻紙”和“可穿戴電子設備”等白熱化的概念逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實，更進一步拓展了半導體的應用范圍。近年來，基于鈣鈦礦結構半導體的有機太陽能電池展現(xiàn)出巨大的應用潛力，吹響了有機半導體進軍光伏領域的號角。

盡管半導體材料種類日漸豐富，但這種橫向的擴張并未增強人們獲得穩(wěn)定單原子層半導體材料的信心。好在英國曼徹斯特大學的俄裔科學家Geim 及Novoselov 等不偏信傳統(tǒng)認知，默默耕耘，終于在2004 年一鳴驚人，通過大巧若拙的“手撕”方法獲得了單層碳原子組成的石墨烯材料，開創(chuàng)了二維材料新領域。雖然石墨烯由于其“零帶隙”特征而難以作為半導體溝道材料應用在晶體管中(相關概念的介紹詳見后文)，但它卻拉開了二維半導體材料的研究序幕，各種由單層或少數(shù)層原子組成的半導體材料不斷涌現(xiàn)，至今仍是材料領域研究的大熱門。這類材料的優(yōu)點顯而易見，且不說薄、柔性與種類繁多等特點，單就其直觀的原子級操控而言，就契合大眾對科學發(fā)展的期望，同時成功變身為科研人員的“原子積木玩具”。二維半導體材料大致包括以下幾類：(1)各種“烯類”材料，如硼烯、硅烯和錫烯等，在高速電子器件和柔性器件等方面有潛在應用；(2)過渡金屬硫族化合物，包括帶隙適中的MoS2和WS2等，可用于制備“輕量級”的柔性晶體管和激光器等；(3)碳化物，典型代表有Ti3C2和Ta4C3等，是較理想的儲能材料；(4)氮化物，包括寬帶隙的BN等，是構造二維材料異質結中理想的勢壘層，也常充當絕緣隔離層的角色。當然，還有許多其他二維層狀材料也正快速進入科學家們的實驗室，如黑磷和有機二維材料等，有望在光電器件和生物傳感方面獨辟一片天地。此外，一度占據(jù)研究前沿的碳基材料還包括碳納米管等，相關研究結果引人入勝、層出不窮，具體可參見文末列出的綜述文章。

上面的討論是在默認半導體材料為單晶材料的前提下進行的，實際上多晶和非晶半導體也在某些場合發(fā)揮著自身的優(yōu)勢。例如，多晶硅不僅可以作為場效應晶體管中的柵極，還能用于制作太陽能電池，而利用非晶材料制作光伏器件的研究也取得了長足進展。

3半導體異質結器件

半導體材料世界固然有趣，但難道僅憑其導電能力秉承中國古人奉行的“中庸之道”，便可魔法般用于各種功能器件的制造嗎？這么說自然形象易懂，卻不免絕對和片面。實際上，要理解半導體器件的基本工作原理，讀者們首先需要耐心地分析總結半導體材料及其異質結構的基本物理性質。

若說雜質敏感性是半導體的第一屬性，估計大多數(shù)人都能接受——前輩英才們未明其理而深受其害，當代豪杰們則掌控自如信手拈來。與此同時，另一個重要事實也不能忽略：半導體的載流子濃度相對金屬材料通常低三個數(shù)量級以上！正是這個半導體的第二屬性直接盤活了半導體的世界，使其在光、電、磁和熱等各種物理場施加的外部激勵下，響應靈敏。進而，各種衍生的次級特性，如光敏性、電敏性和熱敏性等就成為了半導體的標簽。此外，半導體中的載流子也不再如金屬僅有電子般單調，帶正電的空穴開始露面，于是便有了p 型(載流子為受主雜質提供的空穴)和n 型(載流子為施主雜質提供的電子)半導體之分。人類很快就完成了一系列技術革新，掌握了精細調控載流子濃度和類型的摻雜手段。基于這兩種具有不同導電類型的半導體材料，功能各異的半導體器件粉墨登場，所做的事情其實不難——讓p 型和n 型半導體相互接觸。若將一種材料分別摻雜成p 型和n 型兩部分，得到的是同質結；若p 型和n 型半導體所用材料不同，則稱為異質結。

不論是同質結還是異質結，它們的基本器件原理都是類似的，區(qū)別在于異質結中有更多的變化和更豐富的構造可能。圖2 是突變型pn 結中載流子的分布示意圖，可以看到，在p 型和n 型半導體界面附近有空間電荷區(qū)(由帶電的施主或受主雜質構成)。這是由于載流子傾向于往低能量方向流動并聚集，直至空間電荷區(qū)中的內建電場大到將p 型和n 型半導體中的費米能級拉平為止。載流子承載著流動的電荷，它們的流失使得自由電荷難以進入空間電荷區(qū)。如此一來，空間電荷區(qū)雖有電荷之名卻施行著阻礙自由電荷流動的行當，似乎稱之為載流子耗盡區(qū)才不至于誤導視聽。需要指出的是，存在耗盡區(qū)是半導體的典型特征之一，是幾乎所有半導體器件的基本要素，其重要性怎么強調都不為過。例如，pn 結不僅是兩端器件半導體二極管的核心，實現(xiàn)了整流、穩(wěn)壓、發(fā)光、探測和儲能等功能，也是三端器件如結型晶體管、場效應晶體管及浮柵晶體管的重要組成部分，實現(xiàn)了邏輯運算、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)字成像等功能。

圖2 突變型pn 結中空間電荷區(qū)及載流子分布示意圖

耗盡區(qū)的寬度可通過外加電壓進行調控，p型半導體為電源正極時稱為正向偏置，空間電荷區(qū)變窄，電流較大；反之則為反向偏置，空間電荷區(qū)變寬，電流較小乃至接近于零。正是由于pn結對外部電壓響應的不對稱性，使其具有單向導通特性，實現(xiàn)了二極管最基本的整流功能。

深入分析可知，正向偏置電壓使耗盡區(qū)變窄的過程伴隨著過剩載流子的注入，此時導帶中非平衡的電子與價帶中非平衡的空穴可能會發(fā)生復合。復合的種類與具體形式很多也相對復雜，此處不細致展開。較受關注的是輻射復合，即電子與空穴復合之后會發(fā)出能量與帶隙相近的光，相應的器件稱為發(fā)光二極管(LED)。利用具有不同帶隙寬度的半導體材料，發(fā)光二極管的發(fā)光范圍得到了有效擴展，得以大量應用在信號控制、顯示和照明等領域。當然，由于半導體中電荷輸運過程相當復雜，要考慮的因素(如載流子的限制、遷移率的提高和能量轉化效率的提升等)很多，因此實際使用中各種兩端型半導體異質結器件的核心結構通常是pn 結的變種。例如，為了提高光電二極管的響應速度，往往在p 型和n 型半導體中加入一層本征半導體，形成所謂的p-i-n 二極管。通過不同材料的組合構成二極管異質結構，還可以制備出諸多功能各異的半導體器件，如太陽能電池、激光二極管和微波器件等。

如果說二極管使人們意識到半導體器件的巨大應用潛力，那么場效應晶體管則不僅真正兌現(xiàn)了這一潛力，還奠定了半導體器件在信息技術中的統(tǒng)治地位。作為半導體集成電路的核心部件，晶體管的主要功能便是實現(xiàn)電荷的可控操作，包括電信號的放大、電荷的存儲和轉移等。晶體管與二極管最大的不同點在于引入了第三個電極——柵極，其目的是控制半導體的導電能力，亦即半導體導電溝道的通斷。柵極通常也被稱為“門電極”，形象地反映了它在晶體管中控制載流子通行的開關作用。

場效應晶體管包括結型和金屬—氧化物—半導體型(MOS)，它們都包含兩個背靠背的pn結。圖3(a)示出了MOS 場效應晶體管的結構圖，其中，三個電極引出端分別是柵極、源極和漏極。柵極與半導體溝道通過絕緣電介質隔離，在柵極和源極(或漏極)兩端施加電壓能夠積累或耗盡半導體中的載流子，從而實現(xiàn)源極和漏極間電流信號的控制。可近似認為柵壓調控方法僅涉及電容的充放電過程，它有效降低了晶體管在開關狀態(tài)間轉換所需的能耗。晶體管的開關狀態(tài)可用于二進制中0 和1 的表達，多個晶體管間通過三個電極相互連接能夠形成多種功能器件，促使晶體管幾乎出現(xiàn)在任何一個電子產(chǎn)品中：它能實現(xiàn)邏輯運算操作，耳熟能詳?shù)闹醒?a target="_blank">處理器芯片(CPU)即為最典型的例證；它能與簡單的電容器件結合實現(xiàn)兼具容量和速度的數(shù)據(jù)存儲功能，代表性產(chǎn)品包括動態(tài)隨機存儲器(DRAM)；它憑一己之力便能實現(xiàn)非易失(即斷電數(shù)據(jù)不丟失)存儲，只是需要增加一個被絕緣介質包圍的懸空柵電極(稱為浮柵，圖3(b))，固態(tài)硬盤的風靡就是最佳證明；它還能基于電子對光的響應原理實現(xiàn)數(shù)字成像，相機以及攝像頭中的電荷耦合器件(CCD)便是其完美代言。毫不夸張地說，晶體管是當今大多數(shù)半導體器件的核心要素，因此如何有效地減小晶體管的特征尺寸進而降低功耗并提高密度順理成章地成為了半導體器件領域的研究主題。正是充分認識并把握住了這一點，在半導體工藝制程上始終獨占鰲頭的臺積電和三星等公司才能長期受到大型芯片設計公司的青睞，而英特爾公司則成為了桌面/服務器端CPU 芯片產(chǎn)業(yè)的獨角獸。

圖3 (a)普通及(b)浮柵MOS場效應晶體管的結構示意圖

篇幅所限，本節(jié)僅簡要描述了二極管和場效應晶體管的基本原理和代表性應用，深入到細節(jié)必將展開一幅精美而震撼人心的畫卷，例如江崎二極管的發(fā)明、藍光二極管的實現(xiàn)、量子級聯(lián)激光器的構想和量子霍爾效應的發(fā)現(xiàn)等，不一而足。對半導體異質結器件、物理及相關應用感興趣的讀者，建議可參閱文末相關文獻[3—6，46]。

4半導體自旋電子器件

縱觀半導體的發(fā)展歷史，幾乎都是圍繞控制電子電荷在材料中的分布做文章。半導體廠商專注于器件特征尺寸的縮小，以求減少電子所需跨越的距離，進而不斷提高器件密度(或集成度)和響應速度，同時降低單個器件所需功耗，取得了巨大成功。以英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人命名的摩爾定律指出，集成電路中晶體管的密度大約每隔18 個月便會增加一倍(該定律有過幾次修正，此處僅闡述其核心思想)，這在過去半個多世紀里得到了印證。然而，當今晶體管器件的特征尺寸已進入納米量級，量子效應開始顯現(xiàn)，摩爾定律逐漸失效。早期，人們努力嘗試在已有的框架內解決問題，例如針對電子隧穿效應等導致的漏電流問題，可以利用高k 介質和鰭式場效應晶體管(Fin-FET)結構在一定程度上進行解決。但是通過縮減器件尺寸提高性能的方法即將觸碰其上限，探索新的器件原理似乎不可避免。

讓我們重新審視信息技術的關鍵要素，雖然半導體在信息的處理(CPU 和GPU 等各種處理器芯片)、存儲(內存DRAM和閃存flash 等半導體存儲器)、轉換(各種光電器件如電荷耦合器件CCD等)和傳輸(半導體激光器等)都起到至關重要的作用，但海量數(shù)據(jù)的存儲一直都是以磁性材料為核心。這是因為磁性存儲同時具有非易失、長壽命和大容量等綜合優(yōu)勢，即使讀寫速度較慢且尚缺少隨機存取功能，但在日益強調能源節(jié)約、數(shù)據(jù)長時間保存能力和讀寫壽命的當代，磁性存儲相對于半導體存儲仍然是數(shù)據(jù)需要長久斷電保存時的首選。隨著高速讀寫和隨機存取功能在磁性存儲原型器件得到成功演示并不斷改進，磁性材料和器件展現(xiàn)出了更大的可能性。一般而言，宏觀磁性的微觀對應是電子的自旋(電子軌道運動對宏觀磁性的貢獻通常較小)，是完全獨立于電子電荷屬性的另一個自由度。很長一段時間以來，電子的這兩個自由度就似兩條平行線般毫無交集，各行其是。那么，若在單一器件中綜合利用電子的自旋與電荷屬性，各取所長，是否有可能突破現(xiàn)有器件原理框架的限制呢？基于這個想法，科學家們開辟了半導體自旋電子學領域，期望利用自旋(輔以電荷)同時實現(xiàn)邏輯和存儲等功能，頗有點大破大立的味道。

自旋的引入極大地豐富了半導體器件的類型，原則上可以依葫蘆畫瓢，根據(jù)半導體電荷器件設計出相應的半導體自旋器件。理想的畫面固然很美，大多數(shù)半導體都不具有凈自旋(或宏觀磁性)的現(xiàn)實卻異常冰冷。盡管少數(shù)半導體如巖鹽結構的EuO和EuS 等占盡4f 電子殼層未滿的便利而天然具有磁性，但這些材料不僅難以兼容主流半導體，還存在居里溫度較低等問題。

顯然，為了充分利用主流半導體的優(yōu)越特性，人們需要解決的首要問題便是將凈自旋引入這些半導體材料。要將磁性材料變?yōu)榘雽w似乎很難，但要讓半導體擁有磁性卻十分自然——就像舊時人們在半導體中增加電荷一般摻雜即可！稍有不同的是，此時摻雜的佐料需要是帶有多余自旋(而非電荷)的磁性元素，如3d 過渡族金屬元素Cr和Mn等。20世紀70年代，人們首先在II—VI族半導體中取得了成功，獲得了所謂的II—VI 族磁性半導體，包括閃鋅礦結構的(Zn，Mn)Se 和(Cd，Mn)Te 等。其中，與II 族元素等價替換的Mn元素有較高的溶解度，可以提供數(shù)量可觀的局域磁矩。利用II—VI 族磁性半導體較強的法拉第效應，它們已經(jīng)被成功地應用在光隔離器中。這類材料的缺點是很難通過摻雜改變導電類型和載流子濃度，同時磁性較為復雜，進而極大地限制了其應用范圍。等價磁性元素的摻雜之路行不通，自然要換個非等價的宿主材料研究一番，但少量摻雜通常很難獲得長程鐵磁序。這是由于宏觀磁性的建立通常依賴于短程交換相互作用，而磁性元素在半導體中的平衡溶解度通常低于1%，從這個角度上看，自旋的摻雜比電荷摻雜要困難得多。好在乘著半導體科技發(fā)展的東風，半導體材料的制備技術已經(jīng)得到了極大提升，利用非平衡的分子束外延技術可以大幅提高半導體中磁性元素含量到10%的量級，III—V族磁性半導體(In， Mn)As 和(Ga， Mn)As 成功面世。與II—VI 族材料不同，替代III 族元素的Mn 原子不僅能提供局域磁矩，還能作為受主提供空穴載流子，其晶體結構及元素占位情況如圖4(a)所示。進一步的實驗和理論證明這類材料的長程鐵磁序是由載流子為媒介誘導產(chǎn)生的，從而將二者直接關聯(lián)起來——這意味著只需簡單照搬傳統(tǒng)半導體中調控電荷的手段便可同時影響其自旋相關性質(器件結構見圖4(b))！

圖4 (a)磁性半導體(Ga，Mn)As的晶體結構示意圖；(b)基于(Ga，Mn)As薄膜的電控磁效應器件結構示意圖

部分解決了材料問題，相應的半導體自旋電子功能器件便如期而至，包括基于III—V族磁性半導體特別是(Ga，Mn)As 薄膜的自旋發(fā)光二極管、自旋注入、全半導體磁性隧道結及磁性的電場和電流調控器件等。之所以說部分解決材料問題，是因為目前III—V族磁性半導體的最高居里溫度是(Ga，Mn)As 中的200 K，仍然低于室溫。盡管如此，III—V族磁性半導體還是很好地扮演了探索自旋相關物理效應的理想材料平臺這一角色，許多在(Ga，Mn)As 等磁性半導體中首次觀測到的新奇物理效應如隧穿各向異性磁電阻效應、內稟反常霍爾效應和自旋軌道矩效應等都迅速地被應用到了金屬自旋電子學中，完成了初期使命。此外，磁性半導體的研究觸角還延伸到了IV 族半導體和氧化物半導體等，其間故事亦是精彩紛呈。更有甚者，常見于超導研究的BaZn2As2等材料也被創(chuàng)造性地用于研究電荷與自旋分離的磁性半導體，帶來了新的研究視角。可以預見，一旦居里溫度較低等關鍵瓶頸取得突破，基于磁性半導體的異質結構功能器件必將有更廣泛的用武之地！

半導體自旋電子學的研究內容還包括磁性金屬/半導體復合結構以及非磁性半導體量子阱和納米結構中的自旋相關現(xiàn)象等，物理內涵十分豐富，研究目標如自旋場效應晶體管的實現(xiàn)等亦十分宏大。但限于篇幅，本節(jié)內容便止步于此，期望能讓讀者窺一斑而知全豹，更為全面的介紹可詳閱文末提供的綜述文章[62，63]。

5半導體低維納米結構

半導體異質結構器件不僅服務于國民經(jīng)濟和國防軍工等諸多領域，同時也促進了許多新物理效應的發(fā)現(xiàn)。例如，整數(shù)和分數(shù)量子霍爾效應最早分別是在Si 基MOS晶體管和(Al，Ga)As/GaAs二維電子氣中發(fā)現(xiàn)的，而量子自旋霍爾效應則是在CdTe/HgTe 異質結中得到了實驗證實。這些新奇的物理效應由于展現(xiàn)出自然之美而深深吸引人們，它們的發(fā)現(xiàn)同時也蘊含了人類對于高性能、低能耗甚至無能耗電子器件的不懈追求。

在沿用已有計算架構的前提下，進一步提升計算能力的關鍵是突破單個器件的性能瓶頸。前面提到，將半導體溝道制作成為超薄魚鰭形狀并將柵電極覆蓋其上便可以有效提高柵控能力，相應的FinFET 亦成為晶體管發(fā)展的里程碑事件之一，其典型結構如圖5(a)所示。自然地，若將FinFET 采用的柵電極“三面夾擊”思想發(fā)揮到極致——制作出環(huán)柵晶體管，便能最大程度利用柵控能力從而降低漏電流，有望把晶體管的特征尺寸推向極限。不難想象，此時半導體溝道材料將變?yōu)橐痪S納米線的形式，絕緣電介質和柵極材料將納米線依次包裹在內，如圖5(b)所示。顯然，理想的半導體納米線溝道需要具備載流子遷移率高、直徑較小和摻雜可控等特性，這些性質是最終獲得具有低亞閾值擺幅、高開關比的高頻晶體管的必要條件。窄禁帶III—V 族半導體InAs 和InSb 電子遷移率分別高達3.3×104cm2V-1s-1和7.7×104cm2V-1s-1，InAs 和InSb 納米線是較為理想的候選材料，我們近期的實驗還表明，利用分子束外延技術能夠可控地生長出直徑約為10 nm的純相超細InAs 納米線，開關比高達108。

圖5 (a)FinFET典型結構示意圖；(b)納米線的環(huán)柵晶體管結構示意圖

當然，對新型計算原理與框架的研究也早已提上日程，其代表性方案便是如今炙手可熱的量子計算。量子計算的實現(xiàn)首先有賴于量子比特的構建，相應的物質載體包括冷原子、超導體、離子阱、金剛石氮空位中心及半導體量子點等體系。其中，半導體基的量子比特由于其電學可調且易與當代成熟的電子技術兼容尤為引人關注。然而，存儲在量子比特中的信息極易受到周圍環(huán)境的影響而出錯甚至丟失。因此，物理學家們一直在尋找一種容錯能力強的量子比特設計方案。基于Majorana 費米子的容錯拓撲量子計算是近年來被提出并得到普遍認可的一種解決方案。Majorana 費米子的反粒子即是自己本身，它是一種獨特的無電荷且自旋為1/2 的粒子。基于Majorana 費米子構建量子比特有如下優(yōu)勢：(1)Majorana 費米子滿足non-Abelian 統(tǒng)計規(guī)律，即操作粒子的結果與操作的先后順序有關，這為設計新概念的拓撲量子計算機提供了重要途徑；(2)Majorana 束縛態(tài)總是成對出現(xiàn)，而在空間上分離的兩個粒子又保護了這種量子態(tài)不受每個粒子局部環(huán)境擾動的影響，有利于解決量子比特的退相干問題；(3)基于Majorana 費米子構建的量子比特能夠進行編織操作，進而有利于拓撲量子計算的具體實現(xiàn)。

由于Majorana 費米子在容錯拓撲量子計算上的重要價值，探測和證明Majorana 費米子的存在成為目前凝聚態(tài)物理領域研究的重要問題。人們最早是在納米線異質結構中觀察到Majorana 費米子的，并迅速開展了相關的拓撲量子計算研究。其中，基于超導體/半導體納米線結構如Nb/InAs和Nb/InSb 等形成p-波超導鏈，人們可以通過超導近鄰效應在納米線兩端構造出Majorana 束縛態(tài)。實際上，利用納米線異質結構造量子比特有其獨特優(yōu)勢：在高品質材料制備方面，納米線的低維特性可以使應力在其表面充分釋放，外延過程中可以降低晶格失配對材料質量的影響，從而實現(xiàn)對納米線形貌、組分和摻雜的精確控制；從量子比特擴展性的角度，納米線相關器件中可方便集成多個局域的金屬或者超導接觸以及頂柵、底柵和側柵等控制電極，從而極大增加了量子比特的構造靈活性。具體到III—V族半導體InAs 和InSb 納米線，由于二者具有較高的電子遷移率，可以避免納米線中由無序引起的電化學勢漲落，從而能夠有效控制Majorana 費米子的數(shù)目。此外，作為窄禁帶半導體，InAs 和InSb 納米線易與超導金屬電極形成勢壘較低的透明接觸；而在Majorana 費米子的產(chǎn)生方面，它們較大的朗德g因子意味著相對較小的磁場就足以滿足要求。總之，基于半導體低維納米結構的量子計算研究仍然方興未艾，必將大有可為。

綜上所述，在未來的電子器件研究與應用中，半導體低維納米異質結器件將占據(jù)一席之地。

6展望與總結

毋庸諱言，半導體產(chǎn)業(yè)過去追求的尺寸微縮紅利已然將至盡頭，在觸碰天花板之前發(fā)現(xiàn)行之有效的器件性能提升方法成為許多科學家追求的首要目標。但由于現(xiàn)今半導體產(chǎn)業(yè)的技術成熟度及業(yè)已形成的巨大市場，在現(xiàn)有框架下繼續(xù)縮減器件特征尺寸仍然是企業(yè)的首選。近些年來，二維半導體材料成為研究熱點，正是由于它們通常僅含單層或少數(shù)層原子，為人們研究原子層厚度極限下的相關物理效應提供了絕佳的材料平臺。傳統(tǒng)半導體納米線則在兩個維度上同時逼近原子厚度極限，同樣是科學家們在實現(xiàn)原子尺度半導體晶體管過程中的重要材料體系。然而，在不可回避的“尺寸墻”到來之時，尋求新的信息載體如電子自旋等已經(jīng)或即將快速催生出新的信息科技研究領域。

可以想象，對于利用超小尺寸半導體材料構建的異質結而言，界面效應將成為決定器件性能的最關鍵因素。因此，2000 年諾貝爾物理學獎得主Kroemer的名言——“界面即是器件”——仍將是研究和設計異質結器件時所需遵循的金科玉律。