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中国学科发展战略·半导体物理学进展

中国学科发展战略·半导体物理学进展

量子力学是 20 世纪物理学最重要的进展之一,它被广泛地应用到原子、分子、固态体系中,并取得了巨大的成功。尤其是自 20 世纪上半叶基于量子力学的半导体能带理论建立以来,它引领了半导体物理、材料和器件的发展,推动了微电子、光电子工业的进步,从而深刻地改变了人类的生活方式和历史进程。
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联合领导小组
组长:侯建国  李静海
副组长:秦大河  韩宇
成员:王恩哥  朱道本  陈宜瑜  傅伯杰  李树深  杨卫  高鸿钧  王笃金  苏荣辉  王长锐  邹立尧  于晟  董国轩  陈拥军  冯雪莲  姚玉鹏  王岐东  张兆田  杨列勋  孙瑞娟
 
联合工作组
组长:苏荣辉  于晟
成员:龚旭  孙粒  高阵雨  李鹏飞  钱莹洁  薛准  冯霞  马新勇
 
 
项目组
组长:郑厚植
成员(以姓名笔画为序):
王开友  邓惠雄  刘奇  孙宝权  李永庆   张俊  张远波  张新惠  陈张海  陈国瑞  赵建华  骆军委  姬扬  常凯  谭平恒  魏苏淮
半导体科学技术是事关提升国家竞争力的核心技术,几乎无处不在地发挥着其重要的作用。追溯历史,半导体科学技术之所以能成为当代如此重要的技术,正是 20 世纪四五十年代以来,国际上一些有远见卓识的科学家、企业家重视开展半导体物理研究的结果。以晶体管、集成电路和半导体激光器为代表的半导体科学技术引发了信息、通信和计算等领域的一场革命。同时,半导体物理研究也促进了整个凝聚态物理的大发展。20 世纪 80 年代以来,凝聚态物理研究在诸多方面取得了十分出色的研究成果。例如,整数、分数霍尔效应及后来的自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应等的发现,拓扑绝缘体、马约拉纳费米子、外尔费米子等的发现。这些发现反映了科学家对固体中的新奇量子效应和元激发的新奇量子属性有了更为透彻的认识。半导体物理作为凝聚态物理的一个重要的分支学科,不仅参与了发现上述重要物理现象的过程,而且,事实上所发现的新奇量子效应和元激发的载体大多数本身就是半导体。然而,与凝聚态物理其他分支学科相比,半导体物理研究除了要有对新物理现象的探索外,还要有如何将所发现的新现象、新原理转化成新功能材料和器件的追求。事实上,关于这方面的探索研究是提升原始创新能力的关键。
我国半导体科学技术事业始于 20 世纪 50 年代。从 1956 年 4月起,科学规划委员会陆续集中 600 多位科学家和工程技术专家, 制定了《1956—1967 年科学技术发展远景规划纲要》,提出了《发展计算技术、半导体技术、无线电电子学、自动学和远距离操纵技术的紧急措施方案》。同时,高等教育部决定将北京大学、复旦大学、南京大学、厦门大学和东北人民大学(后来的吉林大学)有关专业的教师和学生集中到北京大学物理系,成立了中国第一个五校联合专门化班,由北京大学黄昆教授、复旦大学谢希德教授分别任主任和副主任,教授半导体物理课,开启了我国半导体物理的教学工作。同期间,他们合作撰写了我国第一部半导体物理学专著——《半导体物理学》,于 1958 年 8 月第一次正式出版,其后再版 6 次,到 2012 年 6 月被纳入“半导体科学与技术丛书”之一第七次再版。后来,为了适应半导体物理学自身的发展和教学授课的需要,北京大学叶良修教授于 1983 年 11 月出版了《半导体物理学》,该书多次再版,增添和细化了学科的教学内容。
20 世纪七八十年代,随着互补金属氧化物半导体(CMOS)微电子集成芯片和半导体激光器的问世,我国半导体事业也进入了快速发展期,开拓了不少新的领域,如光电子等。作为半导体科学技术创新源泉的半导体物理,本应得到更多的重视,但遗憾的是现实并非如此。我国固体物理学、半导体物理学的创始人黄昆先生 1977 年到中国科学院半导体研究所任所长以后不久就发现当时存在的这种不正常现象。他在 1990 年的回忆中就谈道:“在我国的一个很长时期内,形成了越有重要应用的学科,越是撇开基础研究不搞的不正常局面……”长期以来,这种现象造成了我国半导体科学技术缺乏原创动力。黄昆先生所指出的情况至今虽有所改善,但是依然存在。彻底扭转这种局面需要真正重视半导体物理的基础研究,同时要求从事半导体物理的研究队伍和从事半导体材料与器件的研究队伍在相互交叉的过程中形成合力,才有希望大幅度提升我国半导体科学技术的原始创新能力。
2014 年 2 月 8 日,中国科学院数学物理学部常委会十五届六次会议将“半导体物理”作为中国学科发展战略咨询项目上报中国科学院学部学术与出版工作委员会。2014 年 5 月 20 日,经国家自然科学基金委员会-中国科学院学科发展战略研究工作联合领导小组审议通过立项,同年 9 月 1 日咨询项目正式启动。
为期两年的学科发展战略研讨项目无疑是一项十分艰巨而又有重要意义的工作。为了确保半导体物理学科发展战略研讨的顺利进行,成立了由甘子钊、沈学础、陶瑞宝、于渌、朱邦芬、李树深、夏建白、高鸿钧等院士和郑厚植、常凯组成的顾问专家组,于 2014年 10 月 23 日和 24 日在北京西郊宾馆召开了项目组全体人员正式会议。会上由郑厚植院士介绍半导体物理进展战略规划立项背景及过程,并确定了如下原则:第一,半导体物理是没有国界的,要遵循学科在国际范围内的发展原貌,真实反映学科进展;第二,此次战略研究与今后的立项没有直接关联;第三,我们要从全局出发, 积极研讨,以高度的责任感来建议优先支持方向。
近 30 年来,无论是半导体物理学科发展的广度还是深度均超越了我们研究人员现有的认知。如果立足我们现有认知和研究工作去思考发展战略,很担心会出现“一叶障目”“王婆卖瓜”的错误导向。因此,我们一致认为发展战略研讨的要点首先是全面、充分地把握近 30 年来半导体物理学出现的新概念、新前沿、新突破以及它们可能引发的新机遇。
为此,我们提出了如下撰稿思路。第一,以传统半导体物理学科规划为框架;第二,以重要热点文章作为重要进展的源泉;第三,以国际半导体物理大会(ICPS)作为重要进展的风向标。这次战略研究是要介绍半导体物理在 30 年内的重要进展,要把握住所有涌现出的重要新概念、新理论,不回避半导体物理与其他凝聚态物理分支的交叉,但要在阐述重要学科交叉处展现半导体物理经久不息的生命力。同时,虽然我们不涉及半导体材料、器件学科的传统内容,但在介绍半导体新物理概念时会涉及新材料和新原理器件。
尽管如此,我们仍认为学科发展的战略决策不应由少数人来做选择和决策,我们所希望的是我国从事半导体物理的广大研究人员能从我们的战略研究报告中得到启示,寻找到他们的创新思路。
最后,经顾问专家组的认同,本书按如下十二章介绍近 30 年内半导体物理学的重大进展和展望。
第一章半导体能带理论由常凯撰写,第二章半导体声子物理由张俊、谭平恒撰写,第三章半导体中的杂质态、掺杂机制和单杂质态的量子调控由骆军委、邓惠雄、魏苏淮撰写,第四章一维、零维半导体结构中的量子现象由孙宝权、姬扬撰写,第五章光和物质的强相互作用由陈张海撰写,第六章半导体中的自旋量子现象由郑厚植、赵建华、张新惠、王开友撰写,第七章半导体 / 非半导体界面物理由郑厚植撰写,第八章半导体中的输运及其动力学过程由郑厚植撰写,第九章量子霍尔效应由李永庆撰写,第十章二维原子晶体及范德瓦耳斯异质结构由陈国瑞、张远波撰写,第十一章新概念半导体器件由郑厚植撰写,第十二章新测量技术由郑厚植、刘奇撰写。
国内 17 位有关方面的著名专家参与了具体的研讨和撰写工作, 包括复旦大学的陈张海、张远波、陈国瑞,北京计算科学研究中心的魏苏淮,中国科学院物理研究所的李永庆,中国科学院半导体研究所的常凯、张俊、谭平恒、骆军委、邓惠雄、孙宝权、姬扬、王开友、赵建华、张新惠、刘奇、郑厚植。凭着对半导体物理学科发展的关切和责任感,他们在承担繁重的科研任务的同时,为完成本咨询项目做出了重要的贡献。对此,我们深表谢意。
2016 年 6 月 4 日我们组织了“半导体物理学最新发展前沿”的专题研讨会,由常凯、杜瑞瑞、陈张海、贾金锋、李永庆、徐洪起教授分别做了专题报告《半导体微结构中人工规范场和新奇量子相》《基于 InAs/GaSb 量子阱的量子物态与拓扑量子计算平台》《半导体光学微腔中的激子极化激元》《拓扑绝缘体 / 超导体异质结中Majorana 费米子的观测》《半导体低维结构的量子输运性质》《固态半导体量子器件的构造及其量子信息技术中的应用》,并开展了研讨。这次专题研讨会开阔了战略研讨的视野。
鉴于半导体物理学日新月异的迅速发展,再加上受限于我们的时间、能力与知识,本书难免有许多不尽如人意的地方,敬请广大读者批评指正。
本书的出版得到中国科学院学部和国家自然科学基金委员会的联合支持,对此我们表示衷心的感谢!

 

  郑厚植 常凯
  2017 年 9 月 11 日
第一节能带计算方法的沿革和现况
第二节MBGFT方法与GW近似
第三节 半导体低维体系中的拓扑量子态
第四节 Z2拓扑序和量子自旋霍尔效应
第五节 半导体异质界面能带调控引发的新奇量子相变
第六节 展望
第一节 处理晶格振动动力学的密度矩阵理论
一、电子结构理论中的晶格动力学
二、密度泛函理论
第二节 相干声子学
一、产生相干声子的物理机制
二、光声子学
三、表面声学波
第三节 新型声子态
第四节 新型声子器件
一、声波受激放大
二、声学激光器
三、新型声子器件
第五节 展望
第一节 半导体中的杂质、缺陷物理
一、当前进展介绍
二、缺陷理论计算
三、掺杂极限定律
第二节 半导体中的掺杂调控
一、提高掺杂固溶度
二、降低缺陷离化能
三、杂质能带辅助掺杂
第三节 半导体中单个杂质
第四节 单一杂质的量子比特
一、嵌于硅晶体中的磷原子量子比特方案
二、基于金刚石NV中心的量子比特方案
第五节 展望
第一节 自组织量子点物理
一、自组织量子点生长机制和方法
二、量子点光谱壳层结构
三、量子点中量子光学特性
四、量子点中量子态的操作
五、量子点-表面等离激元耦合
六、量子点的单光子和纠缠光子发射
第二节 栅控量子点和量子线中的量子输运
一、量子点接触
二、量子点
三、电子干涉仪
四、量子线
第三节 展望
第一节 概况
第二节 激子极化激元
一、激子极化激元的概念
二、激子极化激元的色散
三、常见的激子极化激元体系
第三节 材料结构体系及实验方法
一、平板微腔
二、微纳材料自构型微腔
三、其他微腔结构
四、光学探测方法
第四节 激子极化激元凝聚体的量子调控新进展
一、激子极化激元的凝聚、超流、孤波传导、量子涡旋等集体行为
二、利用微纳结构、光学手段调控激子极化激元凝聚体
三、激子极化激元超晶格体系中的多重相变
四、激子极化激元的非线性散射和偏振态间的相互耦合
第五节 新材料及新物理机制发展
一、新材料体系
二、第二个阈值的理解
三、电子-空穴-光子关联系统
四、实验进展
第六节 展望
第一节 半导体中单自旋的操控
一、自旋态的光学调控
二、电场操控量子点中自旋态
三、磁共振操控量子点的自旋
四、展望
第二节 半导体自旋电子器件中的自旋注入、检测和滤波
一、由铁磁体向半导体的自旋注入
二、自旋的电学检测
三、广义自旋滤波效应
四、展望
第三节 半导体中光激发诱导的自旋极化现象
一、光致磁化现象
二、自旋注入、操控的光学探测
三、圆偏振光电流效应
四、展望
第四节 FM/2DEG/FM 横向自旋阀器件、自旋Hall晶体管和自旋FET
一、自旋注入的电学方法
二、自旋动力学过程探测
三、自旋逻辑
四、展望
第五节 稀磁半导体
一、 - 族半导体中过渡金属Mn的电子态
二、稀磁半导体中由巡游空穴媒介的铁磁性平均场理论
三、稀磁半导体的第一性原理计算
四、磁性半导体中的杂质带
五、稀磁半导体的重要物理特性
六、实现室温稀磁半导体的努力
七、展望
第六节 硅自旋电子学
一、为什么研究Si中的自旋电子学
二、自旋注入及探测基础
三、铁磁性注入电极与半导体界面接触工程
四、Si自旋电子学的实验进展
五、展望
第七节 宽禁带半导体中的自旋量子现象
一、宽禁带稀磁半导体GaMnN和ZnMnO的磁性机制
二、宽禁带磁性半导体Zn1-xMnxO和Ga1-xMnxN中超快自旋动力学
三、展望
第一节 铁磁金属/半导体界面的新奇量子效应
一、铁磁/半导体异质结中的动态铁磁近邻极化现象
二、铁磁/半导体异质结中的稳态铁磁近邻极化现象
三、铁磁/半导体异质结中铁磁近邻极化现象的理论
四、铁磁/半导体界面处的自旋量子效应
第二节 绝缘体/半导体界面
第三节 超导体/半导体界面
第四节 展望
第一节 自旋输运及其动力学过程
一、经典的自旋极化漂移-扩散方程
二、半导体自旋输运中的量子效应和处理方法
三、半导体中的自旋动力学过程
第二节 半导体中的热输运和热电效应
一、半导体中热电耦合输运
二、半导体中热电效应
三、半导体中量子热电效应
第三节 基于棘轮效应的输运
第四节 展望
第一节 引言
第二节 整数量子霍尔效应
第三节 分数量子霍尔效应
一、分数量子霍尔效应的发现
二、Laughlin波函数、分数电荷与分数统计
三、分数量子霍尔态的理论描述
四、偶数分母态的实验发现与初步研究
五、非阿贝尔统计与拓扑量子计算
六、 =5/2态的进一步研究(寻找非阿贝尔任意子)
七、其他偶数分母分数量子霍尔态
八、GaAs/AlGaAs系统中量子霍尔研究的其他进展
第四节 石墨烯中的量子霍尔效应
第五节 量子自旋霍尔效应
第六节 三维拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应
一、三维拓扑绝缘体的发现及初步研究
二、量子反常霍尔效应
三、三维拓扑绝缘体的量子霍尔效应
第七节 其他二维体系中的量子霍尔效应
第八节 展望
第一节 概括 —— Less is different!
第二节 石墨烯及其他二维原子晶体
一、石墨烯的发现
二、石墨烯的能带结构
三、石墨烯的性质
四、其他二维原子晶体
五、范德瓦耳斯异质结
第三节 范德瓦耳斯异质结的制备
一、机械转移法
二、范德瓦耳斯力拾取法
三、化学气相沉积生长法
第四节 范德瓦耳斯异质结构的进展
一、高质量二维原子晶体
二、石墨烯/hBN/石墨烯中的共振隧穿
三、不同二维过渡金属硫化物范德瓦耳斯异质结构
四、石墨烯摩尔超晶格
五、范德瓦耳斯超导体异质结构
第五节 展望
第一节 新型半导体激光光源
一、硅拉曼激光器
二、量子级联激光器
第二节 新概念器件
一、利用棘轮效应的微波探测器件
二、量子超材料
三、石墨烯电吸收调制器
四、超导加量子点的混合器件
五、量子点纠缠光子对发射源
第三节 光量子计算中的关键器件
一、基于M-Z量子干涉仪的非线性光量子CNOT方案
二、线性光量子CNOT方案
三、光量子计算中的量子器件
第四节 展望
第一节 近场扫描光学显微镜
一、NSOM系统的构成和关键技术
二、开尔文探针扫描显微镜
三、NSOM技术的最近进展
第二节 时间分辨的光学扫描显微技术
第三节 扫描隧穿显微镜和与激光结合的扫描隧穿显微镜测量技术
一、扫描隧穿显微镜
二、与激光结合的STM测量技术
第四节 量子断层测量技术
第五节 展望
彩图
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