中科院半导体研究所的王占国研究员与网友共同讨论半导体材料的过去、现在和将来。

　 主持人：各位网友大家好，我们的网上科普大讲堂今天进行到第三天，今天上午我们请来中科院院士中科院半导体研究所的王占国研究员。王院士一直从事半导体材料研究，有关这方面的问题希望网友可以向王院士提问。

　　主持人：今天谈的是半导体，请您先给大家解释一下什么是半导体。

　　王占国：半导体从导电来分的，自然界有绝缘体像玛瑙、玻璃、石雕等等不导电，我们称之为绝缘体。金属属于电的良导体。半导体简单来说是介于绝缘体和良导体之间的材料。

　　主持人：现代科技的发展，材料科学起了很重要的作用，科学的各个学科与我们日常生活有着很密切的关系。半导体材料也是各种材料物质中的一种，您能否简单介绍一下半导体材料对于现代科技和社会发展所起的作用。

　　王占国：半导体的发现可以追溯到上世纪的一八三几年，但是半导体的真正应用是上世纪中期，特别在1947年晶体管的发明到1958年集成电路的发现和设计研制成功，开辟了微电子的时代。我们今天用到的计算机空间任何一个地方都离不了半导体。比如说硅已经是大规模集成电路的基础元件，与所有的电气所有的光纤移动通信、人造卫星等等，密切相关。信息时代的基础就是半导体，就是硅，用90％以上的电子器件、组件和设备都是用硅材料做成的。半导体的作用从过去工业革命是微电子时代，进一步我们进入光电子时代。半导体材料不但使人类生活有很大改变，也改变了世界的政治、经济和军事地位。最近伊拉克战争基本是空间解决问题，发现目标命中目标是事时，过去要几天时间。海湾战争大概是几天能够决定攻击，到阿富汗的时候减少到九分钟，发现目标定位决策攻击。伊拉克战争就是及时的，发现目标马上攻击。这个时代军事的抵抗形式发生很大的变化，半导体的发明和它的应用使人类进入完全崭新的信息世纪。

　　主持人：是否可以这样说，半导体材料尤其硅材料的发现、使用是我们进入信息时代的物质基础？

　　王占国：硅是基础材料，硅的直径越来越大，刚开始硅的直径是一个厘米，现在最大的做到40厘米，一个单晶硅五百公斤，在片子上可以做成集成电路，而集成电路本身表是越来越窄的，原来是几十个微米，后来变成一个微米，现在实验室已经做到35个纳米。尺寸的减小相当于集成的数目越来越多，芯片的功能就越大。我们计算机里面，奔腾2、奔腾3、奔腾4越来越快，而价格还越来越便宜，片子越来越大。一次工艺做出来的芯片片数增多，功能加强，价格降低。这就是人们常说的摩尔定律。以硅为材料的半导体将来可能遇到一些问题，特别研究发现了新的半导体材料，像砷化钾、磷化铟跟硅不一样，硅就是单一的，化合物是两种元素或者三种元素组成的材料，这种材料的性能将比硅更好。硅不发光，这种砷化钾、磷化铟可以发光，可以作为发光管，新的半导体材料既是光电子材料又是微电子材料，可以实现光电集成。我相信有一天我们的手表既能当计算机又能当电话。

　　主持人：化合半导体材料投入到大规模的应用上障碍在哪儿？

　　王占国：现在还不能说化合物半导体停留在实验室，今天所有的光纤通讯的激光器、探测器都是化合物半导体，包括移动通信超高频超高速的都是应用化合物半导体材料。但是它很难做，两种元素要做到准确的配比，差一点点都不行，难度比较大，价格也比较昂贵，还没有广泛用于日常生活、军事。发光二极管到处都有，都已经实现产业化，包括车灯、路灯，家用照明都用半导体。

　　网友：对于低维半导体材料最有可能转变为导体还是绝缘体？

　　王占国：低维半导体，硅五百公斤是一个大的体积，电子在里面运动是自由的，三个微空间里面任何地方可以自由动，我们成为三维体材料。低维是三维以外的材料，两维电子在薄片的运动，在纸平面的运动，不能随便往上跳。要是两维，电子两个方向受到限制，比如一条线。电子只能沿着线走，我们称为一维。两维就是电子在小球里面，非常小的球，或者叫量子点材料。低维板材料就是除了三维以外的，一维、两维材料。这种材料电子由于不能自由运动，产生很多新的现象。我们现在研究的运动是牛顿定律，炮弹初始速度打到哪儿都可以计算好的。我们现在讲的低维板材料符合的是量子力学，量子力学有很多新的问题，也是20世纪重大发明。

　　低维材料还是属于半导体，10的负三次方欧姆厘米一直到10的10次方。如果搀杂的话，电阻率可以比较低，比如零点零几米欧姆厘米。但是不符合牛顿力学的定律，它的运动是跟穿墙术一样，这种低维结构材料电子运动很多是隧穿的，但是到量子力学里面离子可以过去。低维材料还是属于半导体材料，有很多新的特性。

　　网友：纳米技术是怎么回事？

　　王占国：纳米技术跟低维半导体材料严格来讲，低维半导体材料可以称之为纳米材料。一条线或者一个点往一个方向不能自由运动的时候，我们称为低维材料。在这个方向比如十个纳米，我们可以认为是那米材料。纳米本身是尺度的概念，本身并不是一种材料。一个纳米等于10的负九次方米。人们把这种材料做到某一个方向上，比如薄到十几个纳米的时候，或者直径是十几个纳米的时候，这个材料就称之为纳米材料。纳米材料的尺寸小到0.1个纳米到一百个纳米之内的材料。这种材料一定有非常优越的性质，具有量子力学的性质，隧穿的性质、干射的性质，库仑阻塞等等。纳米本身是尺寸，并不是材料，当材料在某一个方向上做到纳米以后，同时具有完全新的性质，这种材料我们才称为纳米材料，不是所有都称为那米材料。

　　网友：多孔硅与砷化镓、磷化铟是否有相同的特点？

　　王占国：硅最大的缺点是不发光，或者发光非常弱，所以不能作为光电子器件。砷化镓、磷化铟可以作为发光材料，发光效率高。硅是不发光的，所以有非常大的优点，做得很大很便宜，计算机里面的芯片、存储器都是它做的，应用很广，但是就是不发光。人们希望它既发光又发电，多孔硅人们想用硅做发光器件，让它也发光，效率也提高的一种尝试。多孔硅做出以后确实发光，可见光甚至紫光都可以看到。多孔硅把硅腐蚀成非常小的孔，小到纳米尺寸，到纳米尺寸的时候，硅由原来不发光就可以变得发光，发光效率提高了。多孔硅可以发光，而且发光效率远远比硅高，但是目前应用差得比较远。靠腐蚀办法，发光机理、稳定性、可靠性现在还没有完全解决。

　　网友：相信有一天我们的手表既能当计算机又能当电话，这句话的意思是不是说半导体材料有助于实现从有线到无线的变革呢？

　　王占国：最早的计算机在美国研制成功，非常庞大几十吨，计算速度没有我们现在的小计算器快。经过50几年，半导体集成电路达到每平方厘米可以有一亿个晶体管，原来老的一个晶体管的尺寸上面可以包含上百万个晶体管，现在一直小到十几个纳米。在手表上可以做多功能集成，如果我们能够把光、电做成一个芯片装备在手表上，作为电话没有问题。我们现在的移动电话就是发射信号，通过卫星接收再返回回来，用小的麦克风就可以了，相当于音控。甚至眼镜可以作为显示屏，可以无线连接，进行数据传递，完全可以可视对话，而且可以人为控制。比如今年夏天很热，我在路上开开关，发一个命令家里的空调就可以开开，不久的将来就可以实现。有红外激光器、可见光激光器，可以进行数据之间的传递，很快计算机可以用无线连接。科学技术的发展现在来看人认为做不到的，将来有一天都可以做到，但是无线也不是绝对的。人们总会想出新的办法来满足人们对于将来信息的需求。现在的信息量很大，但是人们还是不满足的，信息量需求量会更大。现在在网上浏览一幅10兆的图片，将来计算机速度做得很快的情况下，零点几秒就可以看到。过去用286、386根本无法看图片，现在我们就可以看了，随着技术发展，特别新型半导体材料的发展，纳米技术材料的发展，将来都可以成为现实。