世界上最薄半导体晶体中光线传播研究取得进展

导读

背景

在隐藏于笔记本电脑或者智能手机中的每个现代微型电路中，你都会看到晶体管。晶体管是一种小型半导体器件，它控制电流流动，即电子的流动。

如果用光子（光的基本粒子）取代电子，那么科学家们将有望创造出新型计算系统，这种系统将能够处理以接近光速流动的大量信息。

目前，在量子计算机中，光子被认为是传递信息的最佳方案。然而，这些仍然只是假想计算机。它们按照量子世界的规律运作，并且能比大多数最强大的超级计算机更加高效地解决某些问题。

虽然创造量子计算机没有基本限制，但是科学家们仍然没有选择出哪种材料平台可以最方便且有效地实现量子计算机概念。目前，超导电路、冷原子、离子、钻石中的缺陷以及其他系统，为了被未来量子计算机选中而展开竞争。

创新

这一次，科学家们提出了半导体平台和二维晶体。近日，维尔茨堡大学（德国）、南安普顿大学（英国）、格勒诺布尔-阿尔卑斯大学（法国）、亚利桑那大学（美国）、西湖大学（中国）、俄罗斯科学院约飞物理技术研究所、圣彼得堡国立大学的科学家们组成的国际科研团队研究了光子是如何在世界上最薄的半导体晶体平面中传播的。结果是，空间中的光线偏振分布类似于三色的海螺。物理学家们的研究成果为创造单原子光学晶体管（量子计算机的组件）开辟了道路，有望实现光速计算。研究论文发表在《自然纳米技术（Nature Nanotechnology）》期刊上。

技术

研究人员研究了光线在二硒化钼（MoSe2）二维晶体层中的传播。二硒化钼只有一个原子的厚度，是世界上最薄的半导体晶体。研究人员发现，偏振光在这种极细晶层中的传播取决于光线传播的方向。这个现象是由于晶体中的自旋轨道相互作用引起的。有意思的是，正如科学家们所指出的，这幅图展示的偏振光空间分布非同寻常，看上去像五彩缤纷的的海螺。

实验中所用的非常精细的二硒化钼晶体是在维尔茨堡大学 Sven Höfling 教授实验室中合成的。它是欧洲最佳的晶体生长实验室之一。在圣彼得堡国立大学教授 Alexey Kavokin 的监督下，科学家们在维尔茨堡和圣彼得堡进行测量。Mikhail Glazov 在开发理论基础中扮演了重要角色。他是俄罗斯科学院的通信成员、圣彼得堡国立大学自旋光学实验室的雇员、约飞物理技术研究所的首席研究助理。

价值

圣彼得堡国立大学自旋光学实验室的领头人 Alexey Kavokin 教授表示：“我预见，在不久的将来，二维单原子晶体将用于量子设备中的信息传输。对于经典的计算机与超级计算机需要花很长时间才能完成的任务来说，量子计算设备完成起来非常快。因此，量子技术有着巨大的危险，可以与原子d的危险相提并论。例如，在量子技术的帮助下，非常迅速地非法入侵银行保护系统将成为可能。这就是如今密集的研究工作在进行的原因所在。这些工作包括创造保护量子设备的手段，即量子加密技术。而我们的工作主要为半导体量子技术作出了贡献。”

此外，正如科学家们所提到的，这项研究是朝着研究光诱导（即出现在光线下）的超导性迈出的重要一步。当材料允许电流以零电阻通过时，超导现象就发生了。目前，这种状态无法在零下70摄氏度以上的温度条件下实现。可是，如果找到合适的材料，这项发现有可能将电力零损耗地传输到地球上的任何位置，并创造出新一代的电动马达。应该被记住的是，2018年3月，Alexey Kavokin 的研究团队曾预测，含有超导金属（例如铝）的结构，有助于解决这个问题。如今，圣彼得堡国立大学的科学家们正在寻找途径获取他们理论的实验证据。

参考资料

【1】http://english.spbu.ru/news/3015-three-colour-rapana-physicists-have-let-light-through-the-plane-of-the-world-s-thinnest-semiconductor-crystal

1985年诺贝尔物理学奖授予德国斯图加特固体研究马克斯·普朗克研究所的冯·克利青（Klaus von Klitzing，1943-）,以表彰他发现了量子霍耳效应。

霍耳效应是 1879年美国物理学家霍耳（Edwin Hall）研究载流导体在磁场中导电的性质时发现的一种电磁效应。他在长方形导体薄片上通以电流，沿电流的垂直方向加磁场，发现在与电流和磁场两者垂直的两侧面产生了电势差。后来这个效应广泛应用于半导体研究。一百年过去了。1980年一种新的霍耳效应又被发现。这就是德国物理学家冯·克利青从金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）发现的量子霍耳效应。他在硅MOSFET管上加两个电极，把MOSFET管放到强磁场和深低温下，证明霍耳电阻随栅压变化的曲线上出现一系列平台，与平台相应的霍耳电阻等于RH＝h/i·e2，其中i是正整数1，2，3，……，这一发现是20世纪以来凝聚态物理学、各门新技术（包括低温、超导、真空、半导体工艺、强磁场等）综合发展以及冯·克利青创造性的研究工作所取得的重要成果。

从50年代起，由于晶体管工业的兴盛，半导体表面研究成了热门课题，半导体物理学中兴起了一个崭新领域——二维电子系统。1957年，施里弗（J.R.Schrieffer）提出反型层理论，认为如果与半导体表面垂直的电场足够强，就可以在表面附近出现与体内导电类型相反的反型层。由于反型层中的电子被限制在很窄的势阱里，与表面垂直的电子运动状态应是量子化的，形成一系列独立能级，而与表面平行的电子运动不受拘束。这就是所谓的二维电子系统。当处于低温状态时，垂直方向的能态取最低值——基态。

由于半导体工艺的发展，60年代初出现了平面型硅器件，用SiO2覆盖硅表面制成了硅MOSFET管，为研究反型层的性能提供了理想器件。改变MOSFET的栅极电压可以控制反型层中的电子浓度。

1966年，美国 IBM公司的福勒（A.B.Fowler），方复（F.F.Fang），霍华德（W.E.Howard）与斯泰尔斯（P.J.Styles）用实验证实了施里弗的理论预见。他们把P型硅作为衬底的MOSFET放在强磁场中，在深低温下测源极与漏极之间的电导。改变栅压VG，测出的电导呈周期性变化，有力地证实了二维电子系统的存在。

这个实验激起了物理学家的浓厚兴趣，使二维电子系统成了国际上普遍重视的研究对象。70年代中期，日本东京大学年轻的物理学家安藤恒也（T.Ando）和他的老师植村泰忠（Y.Uemura）从理论上系统地研究了二维电子系统在强磁场中的输运现象，对二维电子系统的霍耳效应作了理论分析。与此同时，世界上有好几个机构在进行有关二维电子系统的实验工作，其中尤以冯·克利青所在的维尔茨堡大学最为积极。

冯·克利青1943年6月28日出生于波森（Posen）的叙罗达（Schroda），德国国籍，1962年进入布朗许瓦格（Braunschweig）技术大学攻读物理。他利用假期到联邦技术物理研究所（PTB）的半导体实验室做学生工，在那里他认识了著名的物理学家兰德威尔（G.Landwehr）教授。冯·克利青在工作中丰富了实践经验，开拓了视野，并且对精密测量的重要性有了很透彻的认识，因为联邦技术物理研究所实际上是负责精密计量标准的科研机构。1969年，冯·克利青在凯斯勒（R.Kessler）教授的指导下完成了题为“用光衰减法测量锑化铟中的载流子寿命”的硕士论文。接着跟随兰德威尔教授到维尔茨堡大学物理研究所，在兰德威尔指导下当博士研究生。兰德威尔安排他研究强磁场和液氦温度下处于量子极限的Te单晶的输运特性。在这项研究中冯·克利青发现了所谓的“磁致不纯效应”（magneto-impurity effect）。1972年冯·克利青以优异成绩得博士学位，并留在维尔茨堡大学，当兰德威尔教授的研究助手。

兰德威尔教授专门从事半导体输运特性的研究，是联邦德国开展二维电子系统研究的先驱。他们跟西门子公司的研究组有密切联系，而西门子公司在硅MOSFET管的制作上有丰富经验，可以为他们提供高质量的产品以供试验。1976年维尔茨堡大学又新添置了超导磁体（采用Nb3Sn和 NbTi线圈），磁场可达14.6T，为精密测量霍耳电阻作好了物质准备。

冯·克利青早在当学生工时就熟悉了强磁场技术，不过那时用的是脉冲式强磁铁，采用高压电容放电，铜线圈用液氮冷却，冯·克利青曾对线圈进行过校准。

在研究二维电子系统的过程中，冯·克利青和他的合作者恩格勒特（T.Englert），以及研究生爱伯特（G.Ebert）都曾在霍耳电阻随栅极电压变化的曲线上观察到平台。日本人川路绅治也报导过类似的现象。在1978年中已有多起文献记载了这一特性，当时并没有引起人们的重视，只有冯·克利青敏锐地注意到并作了坚持不懈的研究。

他发现 MOSFET的霍耳电阻按 h/e2的分数量子化是在 1980年2月5日凌晨。那时他正在法国格勒诺勃（Grenoble)的强磁场实验室里测量各种样品的霍耳电阻。这个实验室是马克斯·普朗克固体研究所与法国国家研究中心（CNRS）联合建设的，1978年由兰德威尔教授担任实验室主任。恩格勒特随他一起来到格勒诺勃，从事二维电子系统的研究。1979年秋，冯·克利青也来参加。他们拥有一台强达 25 T的磁场设备，比别的地方强得多，得到的霍耳平台也显著得多。他们测量的所有样品都显示有同样的特征，i=4的平台霍耳电阻都等于6450 Ω，正好是 h/4e2。这个值与材料的具体性质无关，只决定于基本物理常数h与e。

对于这件事，冯·克利青自己曾说过：“量子霍耳效应的真谛并不在于发现霍耳电阻曲线上有平台，这种平台在我的硕士生爱伯特1978年硕士论文时已发现，只是那时我们不了解平台产生的原因，也没有给出理论解释。我们那时只认为材料中的缺陷严重地影响了霍耳效应。这些结果已经公开发表，大家也都知道，并且大家都能重复。量子霍耳效应的根本发现是这些平台高度是精确地固定的，它们是不以材料、器件的尺寸而转移的，它们只是由基本物理常数h和e来确定的。”

当有人问冯·克利青，量子霍耳效应是不是一个偶然的发现？他解释说量子霍耳效应作为一个普遍规律而存在的重大想法是在1980年2月5日凌晨突然闪现出来的，但它是基于长期研究工作之后的一个飞跃。“通过测量大量的不同样品，才第一次可能认识这样一种特殊的规律，而这种平凡重复的测量简直弄得我们感到乏味，我们反复变化样品，变化载流子浓度，将磁场从零扫描到最大……。终于我们发现了这样的特殊规律，所以这一结果的取得是长时间努力工作的结果，这些测量的曲线无时不在我的脑子里盘旋着，反复思考着。”

冯·克利青发现量子霍耳效应的确不是偶然的。除了他执着的追求、顽强的探索精神之外，还要归功于他所处的环境。他所在的维尔茨堡大学有着非常良好的学术气氛，对他的研究大力支持，正如他自己所说，“这里既没有研究经费方面的困难，也没有来自行政的干扰，因此我们总是把眼光盯在最高目标上。”与工业界的合作也是他成功的一项重要因素。

量子霍耳效应是继1962年发现的约瑟夫森效应之后又一个对基本物理常数有重大意义的固体量子效应。冯·克利青从一开始就意识到这一点。当他确定霍耳平台的阻值是h/e2的分值时，就主动询问联邦技术物理研究所的电气基准部对 h/e2的精确测定有没有兴趣。答复是如果能达到高于10-6的精度就很感兴趣。可是在格勒诺勃精确度仅为1%。于是冯·克利青马上返回维尔茨堡，用那里的超导线圈继续试验，不久就达到了 5×10-6，证明霍耳电阻确实是 h/e2的分值。于是他写了一篇通讯给《物理评论快报》，题为“基于基本常数实现电阻基准”。没有料到，文章被退回，因为该刊编辑认为精确度不够，精确测量欧姆值需要更高的精确度。于是，冯·克利青转向精细结构常数，将论文改写为“基于量子霍耳电阻高精度测定精细结构常数的新方法”，量子霍耳效应第一次公开宣布，得到了强烈反响。

1981年，在第二届精密测量与基本常数国际会议上，冯·克利青进一步从理论上论证量子霍耳效应的普遍性，还总结了各种不同类型的硅MOSFET管在强磁场和深低温下测到的霍耳电阻数据，得：

h/e2=25812.79±0.04Ω（1.5ppm）

并且预言，如果再增大磁场和降低温度，不确定度可小于0.1ppm。

在1986年的平差中，霍耳电阻RH取六个最新测量结果的平均值，得

RH=25 812.8461（16）ΩBI85（0.062ppm）

其中ΩBI85表示国际计量局（BIPM）1985年1月1日标定的欧姆基准值，1ΩBI85=0.999 998 437（50）Ω。

由此可得精细结构常数α的倒数为α-1（Ω/ΩBI85）＝137.036 2044（85）或α-1＝137.035 990 2（85），不确定度为 0.062ppm。这样推算出来的α-1值与 1986年平差结果

α-1＝137.035 989 5（61）（0.045ppm）

精确吻合。

量子霍耳效应具有如此之高的精确性和复现性，对于计量工作者的确是一件很值得欢迎的好事。因为如果能够根据量子霍耳效应来定义欧姆，又能够根据约瑟夫森效应来定义伏特，就可以组成一对以基本物理常数为基础的电学基准，使电学单位从实物基准向自然基准过渡。

国际计量委员会下属的电学咨询委员会（CCE）在1986年的第17届会议上决定：从1990年1月1日起，以量子霍耳效应所得的霍耳电阻RH＝h/e2来代表欧姆的国家参考标准，并以约瑟夫森效应所得的频率-电压比f/UJ来代表伏特的国家参考标准。

1988年CCE第18届会议正式建议将第一阶（I＝1）霍耳平台相应的电阻值定义为冯·克利青常数，以RK表示，并通过了如下决议：

“国际计量委员会……考虑到——大多数现有的实验室所拥有的电阻参考标准随着时间有显著变化，——基于量子霍耳效应的实验室电阻参考标准是稳定的和可复现的，——对大多数新近的测量结果作的详尽研究得到的冯·克利青常数值RK，也就是说，量子霍耳效应中的霍耳电势差除以相当于平台i=1的电流所得的值为 25 812.807 Ω，——量子霍耳效应以及上述RK值，可以用来建立电阻的参考标准，相对于欧姆，它以一个标准偏差表示的不确定度估计为2×10-7，而其复现性要好得多，因此建议——精确地取 25 812.807Ω作为冯·克利青常数的约定值，以RK-90表示之，——此值从 1990年1月1日起。而不是在这以前，由所有以量子霍耳效应为电阻测量标准的实验室使用，——从同一日期开始，所有其它实验室都将自己的实验室参考标准调整为与RK-90一致。并主张——在可预见的未来无需改变冯·克利青常数的这个推荐值。”

这项决议已得到国际计量委员会的批准，并公布执行。于是，从1990中1月1日起，世界各国有了统一的国家电阻标准。这个新的标准是以量子霍耳效应为基础，容易复现，不会随时间变化。

有必要指出，目前只是由量子霍耳效应获取电阻的实用参考基准，而不是对国际单位制中的欧姆给出新的定义。因为欧姆和伏特一样，在国际单位制中都是导出单位，如果另给它们下定义，就必然与安培的定义，μ0的精确值乃至能量、功率等力学量及千克质量基准的规定不相容。尽管如此，目前的决定在基本物理计量史上仍然是继秒和米的新定义后的又一有重大意义的事件。

从1990年1月1日起，还有一个重要的电学量给定了新的标准，这就是电压。新的电压标准是建立在约瑟夫森效应的基础上的。约瑟夫森效应也是一种发生在凝聚态中的量子效应，也是高度精确的。约瑟夫森由于发现了这一效应已于1973年获得了诺贝尔物理学奖。

K. Von Klitzing，G. Dorda，M. Pepper于1979年发现，霍尔常数（强磁场中，纵向电压和横向电流的比值）是量子化的，RH＝V/I＝h/νe2，ν＝1，2，3，……。这种效应称为整数量子霍尔效应。进而,AT&T的D. Tsui、H. Stormer和A.Gossard发现，随着磁场增强，在v＝1/3,1/5,1/7…等处，霍尔常数出现了新的台阶。这种现象称为分数量子霍尔效应。

R. Laughlin 给出了解释，他认为，由于极少量杂质的出现，整数v个朗道能级被占据，这导致电场与电子密度的比值B/ρ为h/ev，从而导致霍尔常数出现台阶。他还指出，由于在那些分数占有数处，电子形成了一种新的稳定流体，正是这些电子中的排斥作用导致了分数量子霍尔效应。

意法半导体（ ST ）公司成立于 1987 年，是意大利 SGS 半导体公司和法国汤姆逊半导体合并后的新企业，公司创立目标是在亚微米时代挤身于世界一流的半导体公司之列。新公司采纳并实施一个锐意进取的公司发展战略，将大量的资金投入到产品技术的研发活动中，与业绩优异的客户和享誉全球的学术机构建立战略联盟，在主要的经济地区建立集研发、制造和销售于一体的业务网络，力争成为世界上生产效率最高的制造公司之一。

从成立之初至今， ST 的增长速度超过了半导体工业的整体增长速度。自 1999 年起， ST 始终是世界十大半导体公司之一。 今天，作为硅片和系统专业知识、生产能力、知识产权组合、工业及学术合作伙伴的超强联合体， ST 确立了其在开发销售各种半导体应用解决方案上的领导者地位。

市场定位

ST 是世界上最大的半导体公司之一， 2006 年净营业收入 98.5 亿美元。 ST 还是多个领域的市场领导者，例如：据初步的工业数据显示， ST 是世界第五大半导体公司，模拟产品、模拟专用集成电路（ AASIC ）和模拟专用标准产品（ ASSP ）的销售额居市场领先水平。 ST 是第一大手机相机模块供应商和第二大分立器件供应商，第三大 NOR 闪存供应商，在汽车电子、工业用产品和无线应用领域，市场排名居第三。 ST 同时是全球第一大的机顶盒和电源管理芯片制造商。在中国市场上， ST 是 2005 年第三大半导体供应商。

产品阵容

ST 的产品阵容是世界上最庞大的产品阵容之一， 主要的产品类型 超过 三千多种。在极其均衡的产品组合中，既有专有 IP 含量很高的专用 IC ，也有从分立器件到高性能微控制器的多区段产品。公司的销售收入在半导体工业高速增长的五大应用领域分配得十分均衡：通信 38% ，消费 电子 16% ，计算机 17% ，汽车电子 15% ，工业应用 14% 。机顶盒、智能卡和汽车多媒体等应用要求最短的开发时间，最少的开发成本， ST 针对这些应用开创了基于平台的复杂 IC 设计方法，并将继续改进这些设计方法。利用这种均衡的产品组合方法， ST 能够满足全球战略伙伴的所有半导体需求，对于需要全程支持的通用组件的国内企业， ST 是您承接大型系统芯片 (SoC) 项目的首选合作伙伴。

ST 的制造设施

ST 在世界四大洲兴建了多座最先进的制造厂 ， 目前在意大利 Agrate Brianza 、法国 Crolles 、美国亚利桑纳州凤凰城 、 意大利 Catania 、法国 Rousset 和新加坡建有 200mm 圆晶制造厂。此外，与合作伙伴飞思卡尔和恩智浦 ( 原飞利浦公司的半导体部 ) 共同筹建的被称为“ Crolles2 ”的一条 12 英寸生产线现已量产；位于中国无锡的 300mm 和 200mm 生产线也已量产，该生产线是由 ST 与海力士半导体共同筹建的合资企业，并将为 ST 和海力士生产 NAND 存储器，为海力士生产 DRAM ；位于意大利 Catania 的 300mm 晶圆制造厂已建成并准备安装设备。“ Crolles2 ”联盟制造厂是由 ST 、飞思卡尔和恩智浦 3 家公司合作开发最前沿的 CMOS 制造技术的研发基地，三方合作开发的技术节点最低至 32nm ，并与台积电在制造工艺校准上进行合作 。中国、马来西亚、马尔他和摩洛哥的高效组装测试厂为这些先进的前端制造设施提供后端支持。

研发

自公司成立以来， ST 对研发的资本投入没来没有动摇过。 2005 年 ST 研发投入约 16.67 亿美元，约占 2006 年销售总额的 16.9 ％。 ST 对研发的如此专注，在 2006 年一年就获得了 607 项专利申请，继续保持着业界创新成果最多的发明家记录。 ST 积极参与多项世界性合作研究项目，并在欧洲先进技术研究计划如 MEDEA+ 欧盟框架计划中担负重任。 ST 还是担纲欧洲重要的前瞻性工业组织如 ENIAC （欧洲纳米技术计划顾问委员会）或者地区性的 “Poles de Compétitivité” 组织（例如：格勒诺布尔近效的 Minalogic 组织和普罗旺斯的 SCS 组织）。

知识网络

ST 建起了一个全球性的战略联盟网络，包括与大客户的产品合作开发项目、与客户和其它半导体厂商的技术合作项目、与主要供应商的设备和 CAD 联合开发项目。为了增强这些工业合作关系， ST 还与全球知名的科研院所开展广泛的研究合作。通过严格挑选各种战略合作伙伴，从中汲取互补性专业知识，增强公司丰富的专利技术组合和核心能力， ST 发展出了无人匹敌的研发能力，能够为电子工业所有领域的客户提供最先进的解决方案。

ST 的研发计划多数是由公司的先进系统技术部（ AST ）来承担，其使命是开发公司产品部门未来 3-5 年内将需用的战略系统知识。 AST 最近在数字消费、网络、移动安全和片内互连等方面取得了多项重大创新成果。

可持续卓越

ST 始终不渝地致力于可持续卓越（ Sustainable Excellence ），其专注程度赶上甚至超过了对技术、营销和制造业务的专注，这种专注为 ST 在全球范围内赢得了多项殊荣。 自 1991 年以来，公司各地工厂已经获得七十余项企业责任奖项，其中产品质量、公司管理、社会问题和环境保护奖。

ST 在环境保护方面所作的努力，大大减少了能源、水、纸张和有害化学物质的消耗，增加了废品回收利用率，同时大幅减少了温室气体的排放量。 ST 连续提高了“企业责任”的业绩水平，在职业健康与安全等领域取得了出色的业绩，集团下属 16 个制造厂和 4 个非加工性工厂都通过了 OHSAS 18001 国际标准认证； ST 还将低功耗技术推广应用到各种产品中； ST 基金会负责的“数字统一计划”为缩小世界范围数字鸿沟做出了贡献。

公司情况

ST 自 1994 年 12 月 8 日首次完成公开发行股票以来，已经在纽约证券交易所（交易代码： STM ）和泛欧巴黎证券交易所挂牌上市， 1998 年 6 月，又在意大利米兰证券交易所上市。意法半导体 （ ST ）拥 有近 9 亿支公开发行股票，其中约 72.4% 是在各证券交易所公开交易的。余下的股票由意法半导体控股有限公司持有，其股东为 Finmeccanica 和 CDP 组成的 意大利 Finmeccanica 财团和 Areva 及法国电信组成的法国财团。

整个集团共有员工近 50,000 名，拥有 16 个先进的研发机构、 39 个设计和应用中心、 16 主要制造厂，并在 36 个国家设有 78 个销售办事处。

公司总部设在瑞士日内瓦，同时也是欧洲区以及针对新兴市场的总部；公司的美国总部设在德克萨斯州达拉斯市的 Carrollton ；亚太区总部设在新加坡；日本的业务则以东京为总部；新成立的大中国区总部设在上海，负责香港、大陆和台湾三个地区的业务。

随着应用融合化趋势不断推动电子工业前进，同时拥有世界级客户、系统专业知识和最前沿技术的 ST 势必继续成为电子工业的领军企业。

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