回顾以往不难看出，电子革命的科学基础是由概念认识上的飞跃、器件原理更新、分析技术的进展以及材料制备的成就所构成的。除了上述的以外，当然还应该计入以下各种成就：以X射线和电子衍射为基础的晶体结构分析技术，用固体量子理论对导电性的解释，掺杂可控电子材料的超纯单晶生长，半导体放大器概念，基于受激发射的高频振荡器的发明以及量子隧道器件的出现，等等。

尼尔斯· 波尔（Niels Bohr）说过：预测很难，预测未来尤其难。想察明未来进展的科学基础，总要受到多方面的限制。固态技术上的科学发现，比实际应用至少要领先5年，但要达到面貌全改且经济地加以应用阶段，通常就需要更多的时间了。重大的科学进展，很少是完全按预定计划出现的，也不一定总能适合眼前的需要。常常要经过稳步地而是平淡地积累了必要的基础认识之后，才会在思想基础方面的急剧变化中获得进步。今天，大规模集成的挑战和技术改革的步伐，迫切需要先前在长期研究中积累的资源。各种基础研究工作是在考核越来越严格而实际支持却越来越少的情况下进行的。

尽管半导体技术已臻成熟，研究工作不可靠、又有弱点，但我仍然相信，有理由对固态电子学不断革新的前景抱乐观的态度。从根本上看，现在我们对固体中的电子及其运动的控制程度，相仿于19世纪初期我们对光的操纵能力。我们现在能够利用由电子密度和电流决定电子行为，正相似于利用由光的辐射量和强度决定光的行为一样。把电子的波动性用于器件——就像在光的衍射、干涉和全息照相以及激光中具体应用振幅、相位和相干性那样——只是在发现约瑟夫逊（Josephson）效应之后才开始的。

从近期看，集成规模的指数增长为功能替换的发明开辟了道路，这种功能替换方法能利用物质的性质而取得成果，否则，只有在无限地增加设备数目时方能取得。例如光隔离器、石英滤波器和计算机的光纤维连接，都是大量减少为完成某个功能所需元件数目的经济方法。与此有关的还有把多种器件功能结合在一个单纯结构之中的磁泡和电荷耦合器件。集成电路的广泛应用，使各种“定做”的专用电路激增，比早期的晶体管的品种不知多了多少。制成后，可以用电或其他方法编程序的既经济又能大量生产的通用电路可能日益重要起来。这种电路及其处理（即编程序能力）意味着硬件和软件功能的电路结构合二为一，这将对半导体技术提出了新的要求。

逻辑电路和存储器存取速度大大提高而进入了亚毫微秒的范围，这对计算机和通讯中的数字式数据和信号的处理技术产生了强有力的冲击。但通盘权衡得失后，认为目前硅技术的水平使器件速度只能有适当的提高。而且，由于用液体冷却方法降温方面受到很大的限制，硅技术在速度比目前高得多的高密度电路中无法应用。提高数字处理速度的要求自然地为技术革新创造了机会。最近出现了用光波导方法与调制器及其它元件相耦合的注入式激光器的小规模集成电路，还有基于约瑟夫逊（Josephson）隧道器件的中规模超导集成电路，这是体现崭新发展方向的两个例子，而它们的科学基础无疑还在形成之中。

我在本文中将列举几个研究领域的例子，有理由期望它们对固态电子学的未来进展作出贡献。

表面、薄膜和外延

表面科学对固态电子学的贡献，早期也许集中体现在对表面状态的认识，并在直接导致晶体管诞生的金属半导体界面工作中所起的关键性作用上。表面状态影响整流特性的理论，为分析场效应放大作用实验所得出的一些意外的结果奠定了基础，并在事实上为1947年发现点接触晶体管作用铺平了道路。在以后的20年中，作为表面物理研究进展的一部分，通过测量能带弯曲、功函数和光电发射谱，详尽地弄清楚了若干处于高真空中具有很好特性的表面（包括硅表面）电子性质。60年代中期和70年代初期兴起的金属氧化物半导体技术，基本上就是依赖于对包括表面状态、表面电荷以及氧化物中的空间电荷的硅- 氧化硅界面现象的控制。应当看到，今天对界面中的原子排列或电子结构虽然尚未达到基本的认识，但是，在需要详尽知道界面特性和解决部分地是由于氧化物内离子迁移而造成麻烦的不稳定性问题方面，这种技术却已取得了成功。

近年来，对纯净表面研究所用的实验手段和理论手段，两方面都有了改进，而且富有成效地结合起来，因此提供这样一幅基本图景的希望增大了。实验方面，各种不同的电子能谱仪通过组合用到处于超高真空之中、特性经过充分研究的纯净表面，从而得以精确地测定能带间隔之中及其近邻的表面态能级。例如，应用紫外线或X射线光电子能谱仪、双电子离子中和能谱仪、电子损失能谱仪、俄歇（Auger）电子能谱仪和低能量电子衍射法等各种不同的方法，观测同一硅表面，就可以获得关于表面近邻和表面本身的各个状态、表面的化学组成以及表面晶格排列对称性等各种互不相关的知识。

理论方面，现在已有一些新的计算方法，可用来计算把原子排列明确地考虑进去的详细的表面电子分布图。表面的几何图形大体上复现了体结构，或者说是使体结构按照同原来完全不同的对称性重新排列。把电子能谱仪所获得的结果，同根据某个特定表面模型对表面态能谱所作的理论预言相比较，证实了假设的原子排列方式。从理论与实践这两条途径齐头并进，结果第一次对表面作出了完备的描述，包括鉴别所包含的原子种类、它们的原子排列以及价电子的空间和能量分布。这些计算方法最近推广到砷化锡-锗（Ga As-Ge）结的情况，说明这些方法也适用于半导体界面和金属半导体界面，并能得出一幅详细的关于表明界面结构、电子状态、电荷和重建等的原子的图景，得出结的各个有关的电子性质。新近出现的实验工具中，有角分辨光电子能谱仪、同步加速远紫外线和X射线能谱仪以及等能离子的反向散射和沟通方法，这些繁多的名目说明进展是相当迅速的。

多晶半导体薄膜的研究工作也已开始。例如，现在还不能知道这种薄膜晶粒间界的性能，而这对于探讨这种薄膜应用于成本低廉的太阳电池的潜在可能性，将有重要的意义。

作为表面科学基础研究的成果，有一个极有前途的例子，即形成化合物半导体薄膜的分子束外延技术。这种技术，是从多个高真空热源发出的各自独立的原子束和分子束以选定的强度辐照一片衬底，在上面生成其组成和掺杂合乎需要的薄膜。由于生长速度慢，各个独立的粒子束源又可单独加以控制，所以，制成的半导体结剖面无论在组成还是掺杂方面都能精确到单层原子的水平。分子束外延技术，导源于对镓和砷原子附着于砷化镓表面的基础研究；在早期，分子束外延生长表面特性的确定，是借助于膜在真空中生长时当场对表面进行电子衍射诊断取样的极其难得的机会。分子束外延技术已用于制备各种砷化镓和镓x铝1-x砷（GaAs和GaxAl1-xAs）器件的膜和层结构。这些器件包括具有高度可控超突变电容-电压特性的变容二极管、碰撞蹦渡越时间二极管（IMPATT）、微波混频二极管、肖特基（Schottky）势垒场效应晶体管（FET'S）、注入式激光器、光波导和光学集成结构。对未来的固态电子学，分子束外延技术可能发挥最大作用的地方，是以亚微米层结构为主的微波和光学固态器件和电路。在这些场合，这种技术由于从根本上适应平面工艺和集成工艺，将提供很多机会。最近演示的分子束外延砷化锡肖膜管势垒二极管低温混频器在102千兆赫频率上噪音温度为315°K，衡量了这种技术在毫米波电子学中的潜在能力。

从更长远来看，分子束外延技术在固态电子学中的作用可能在于：使具有交替组成（例如砷化镓和砷化铝）的层次能够不断增多。这种周期为50～100埃的超晶格结构表现出负阻特性，因为共振隧道伸入由这些层次形成的狭窄势阱所连带的量子能态。分子束外延超晶格的详细光谱和电子显微镜研究证明，这些势阱的分布是可以控制的，并可用几个原子层的精度加以调整。

已经对分子束外延多层体进行过电子衍射和光学研究，这种多层体是这样制备的：将一片砷化镓衬底依次暴露于镓、砷和铝的精确定时的短脉冲束下，以沉积相当一层原子层的厚度。在850°K附近很小的衬底温度范围内，能生成单层晶态化合物，其规则的周期可扩展到至少100埃大小的范围，且有平面结构的镓砷铝砷镓砷（GaAsAlAsGaAs）……和等效定式铝镓砷（AlGaAs?）。这种新材料在光学和电子性质，以及短程序和长程序上都与母晶体砷化镓和砷化铝以及固态溶体不同。事实上，这种在比固溶体溶点低很多的温度上生长的新的合成材料的稳定性可以从运动学而不是热力学上的考虑来确定。这种技术可以提供一类新的电子材料，它们的组成与天然化合物相似，但结构和性质却迥然不同。

缺陷、复合和可靠性

硅工艺现在已臻成熟，因此集成电路的可靠性在很大程度上取决于晶片上随机分布的残余缺陷。同时，每个晶片上的元件数目正在增加，每年要翻一番。迄今为止，器件尺寸减小的同时一直在提高单个元件或单个电路功能的可靠性。但是，随着亚微米电子束和X射线石板印刷术进一步的微型化，这种情况预期会发生变化。可靠性问题实际对尺寸所施加的限制，以及功率耗散对尺寸、封装和电路图形等所施加的限制，在热力学或量子的考虑所施加的基本限制还远未显得重要时，就将被察觉到。对可靠性的限制，大都来自原子的迁移、空位、位错以及由电场和温度或化学势的梯度所引起的其他缺陷。这些问题包括电移、电化学腐蚀和金属化时的表面扩散与体扩散，它们已经存在处于特殊条件下的现有器件和集成电路中时，可是，我们对这些过程基本上还没有什么了解。为了充分利用石板印刷术的未来进展，固态扩散物理的图景将必须进一步展宽。

与硅工艺比较，其它工艺在可靠性上所受的限制截然不同。例如，工作在液氦温度下的约瑟夫逊结电路，不仅有热耗散的问题，而且还存在至今还未知的电路急化机理。然而由于衬底和金属化膜的热膨胀严重失配而引起的热循环可靠性问题，抵消了这种优越的条件。

缺陷活动对可靠性已经显现出重要影响的技术的一个例子，是光电子学。在用Ⅲ族和V族元素化合物制成的砷化镓和其他发光二极管以及注入式激光器中，光是通过电子和空穴在一个结或者异质结邻近发生的辐射复合而发出的。然而，每当发生一个非辐射复合事件时，所具有的能带间隙能量就以相当于约10?K的局部瞬时温度猝发地释放给晶格。这种过程如在一个空位或填隙缺陷上发生时，那么所具有的能量带常足以激活此缺陷的活动。活动的缺陷如被任一邻近的位错所俘获，就能使后者生长。在注入式激光器和发光二极管中，这种复合诱发活动，可能会导致称为暗线缺陷的位错密集的不传导网络的生长，最终造成过早的失效。通过采取注意生长条件，控制缺陷浓度和消除不能收集活动点缺陷的位错等措施，目前通信使用的激光器和发光二极管的寿命已有所提高。缺陷、它们的活动以及它们与位错相互作用等的特性，如果能更完整地加以确定，将为未来更耐用的固态光学器件奠定基础。

一种新的能谱技术，即深能级瞬变能谱仪，可直接测量结邻近处由电激活缺陷的能级和浓度。用深能瞬变能谱仪观测，还能测量激发非辐射复合的缺陷的横截面。根据这些测量结果，已经建立起了缺陷与晶格耦合的有用模型。并且对非辐射过程中释放的能量如何传递给声系以及最后如何变为晶体中的热的问题也都有了新的认识。到目前为止，用这种能谱仪只测定了为数极少的缺陷。为了完全掌握发光器件，将必须测定更多的这种缺陷。

在已老化的注入式激光器中有时会观察到的寄生高频振荡中，在微波场效应晶体管放大器的稳定性和噪声指数中，以及在其他固态电子学应用中，缺陷都起着作用。这种作用虽然大家都知道，但对它的了解还很不够。目前对于缺陷的研究正在提出使器件退化的各种机理。将来要制造更为可靠的光电子器件和微波器，希望就寄托在这种理解上面。

超导电性和速度

将超导现象应用于固态逻辑和存储装置的尝试，在早期是利用它的最惊人的性质，即电阻在发生从正常到超导相变时突然消失，其中最有名的是冷子管，由一个在稍低于其相变温度的温度上保持超导状态的金属栅膜和一个邻接的控制膜构成。在控制膜电流所产生的磁场作用下，这栅膜能够转变到正常态。栅膜的两个稳定导电态和控制膜的开关作用即提供了存储和逻辑功能。这种器件的开关时间可望达到10?9秒，这取决于相界向下传布通过亚微米膜厚度过程中，正常相中的涡流阻尼。可是实际上，这个开关时间仅为10?8至10-?秒，取决于由不均匀相的成核作用所造成的侧向传布时间，或者取决于传递相变残余潜热的热时间常数。这种器件在性能上现在已经比不过室温器件，因此冷子管没有获得广泛的应用。

使超导电子技术的应用可能性为之面目一新的认识上的飞跃，是产生于基础固态物理的研究，而不是制造超导装置的直接尝试。当然，这种观念就是认识到，超导电子对和正常电子对一样，都能够从一个超导体越过薄膜绝缘体而与另一个超导体相沟通。

所预言的这种行为不久就在实验室中被发现，它使一个绝缘隧道结产生两种导电状态。一种导电状态是结的有限端电压所产生的正常耗散电流，另一种是在零电压时发生的电子对即约瑟夫逊超电流。在磁场或者从邻接控制线注入的电流的作用下这两种电压状态会发生转换，而为存储和逻辑功能提供了基础。与冷子管不同，在约瑟夫逊结里，转换完全在超导相中进行，因此避免了相界传布引起的延迟。约瑟夫逊转换作用的固有延迟基本上取决于超导能隙，其值相当于约10-12秒（1微微秒）的时间。间接的实验测量表明延迟时间≤5微微秒。约瑟夫逊技术速度高（逻辑延迟为10～100微微秒，而高速晶体管为约1毫微秒）转换功率小（10微瓦，而高速晶体管为10～100毫凡），因此，人们在做高性能计算和数据处理技术时，非常注意它。

这种技术在能够获得到广泛应用之前，还需要进一步注意一些问题。其中主要的一个问题是热循环损坏问题。虽然约思大逊结在液氮温度下几乎可以无限期地使用下去，但当这些结构循环到室温时，由于金属化层，绝缘氧化层和衬底三者的热膨胀不同，将会产生严重的应力。应力的张地作用在膜上长出小丘，面导致40～50埃厚的氧化物绝缘在反复循环过程中发生短路。对超导材料的冶金术、氧化作用、沟通以及沉积和生长的基础研究可能决定着这种很有前途的技术的未来。

材料和量子电子学

对材料、晶体生长和固态光学的研究，正在成为量子电子学的一个日渐重要的分支。过去大都局限于砷化镓和砷化镓- 铝、镓、砷异质结构系统的固态激光源，现在已经扩展到种类繁多的二元、三元和四元Ⅲ - V和IV - VI族化合物。1至1.1微米区域的潜在重要性刺激了以三元 - 三元、三元 - 四元和其他异质结构，例如镓、砷、锑 - 铝，砷、锑、磷化铟 - 镓、铟、砷、磷和铟、砷化镓 - 铟、镓、磷等为基础的结型激光器的研制工作。作为3～30微米区域的激光源，二元和三元IV - VI族化合物现在越来越重要了。铅、锡（碲、硒）系统非常特别，因为能隙在三元组成范围内通过零点，从而使连续的红外线激光源范围成为可能。

出于载流学和光学约束两方面的考虑（以避免易于位错的晶格在异质结构界面上发生失配），也由于非辐射中心能级低，因此双异质结构注入式激光器需要复合材料。虽然关于相图能带间隙对组成的依赖关系以及这些复杂系统的某些其他性质已经有了大量的资料，但是在能够以高的重现性和低的成本生产可靠性好的器件特别是砷化镓- 铝、镓、砷以外的系统之前，还需要获得大量进一步的数据和认识。

材料科学在这方面努力的结果已经使液相外延生长和分子束外延生长都有了改进，并使两者形成新的结合，从而又造就了范围广泛的新颖的注入激光技术。最新的进展包括，分布反馈激光器，它在激活区邻近指数有周期变化，给出良好的频率选择性；布拉格（Bragg）反射激光器，其中习见的注端开裂镜代之以含有蚀刻布拉格反射段的耦合无源光波导；以及其他许多不同类型的带状激光器。实际上，凡是连续工作的激光器现在都制成条形的，以获得较锐的横向模式选择性和激光器光输出同光导纤维的较佳耦合。

随着光学在通信和固态电子学中的地位越来越巩固，组合光学功能的需要日益增长，比如需要多重光源和调制器、复式光源，或许还包括带有产生新的即可调谐频率的非线性器件的光源等。很可能像硅集成电路一样，如果把这些组合制作在单一的衬底上，将获得功能、稳定性和成本各方面的好处。近年来，在朝向获得这种光学集成结构的进步中，表面波导已经在许多种材料中，在许多衬底上以及通过许多不同种类的技术（包括溅射、蒸发、离子种入和扩散）被证实。透镜、耦合器和光栅以及注入式激光器和波导调制器一类有源器件已能适应耦合于光学波导，并适配于集成光学格式。并且应用单纯和混合两种技术的简单的小规模光学集成电路已经出现。单片电路迄今仅仅按砷化镓- 铝、镓、砷系统制造，现已包含激光器、波导、调制器、耦合器和布拉格光栅元件。已经出现的混合线路，他们运用多种多样的磁光、声光和电光技术以及材料。材料科学和器件研究有相当一部分工作是为了改进生长技术以及探索这种电路能够完成的功能。

过去15年来。超短光脉冲发生和非线性光学的科学技术有了发展，固态电子学的未来进展也可以期望建立在这个基础之上。作为一个例子，可以考虑最近应用模式锁定固态和染色激光器产生的超短光脉冲作为微微秒固态开关的基础。能量在亳微焦耳范围内的超短可见光脉冲，由于生成高密度的等离子体而在硅表面上产生相当大的表面导电性。产生表面导电性时的微微秒时间尺度已经应用到超高速电开关和门电路中。有一个例子，硅光电导体构成了一条微带传输线的介电衬底。传输线的间隙能够由可见光脉冲以10微微秒的速度闭合；传输线能够被随后的红外线脉冲短路，从而产生体光导电性。标准传输线反射技术的应用，便能够产生短暂的脉冲。这方面的研究工作是同在高密度等离子体系条件下的电子- 空穴扩散和复合的材料研究密切配合的。

光谐波发生、光参量振荡和受激发拉曼（Raman）散射等非线性光学技术到目前为止主要还只是冲击了研究用的仪器。非线性光学在固态电子学中的广泛应用——例如它常规用来作为变频用的光学集成电路——很可能需要具有高度非线性特性的特殊材料。现在对无机晶体的非线性性质已有了较好的了解，但对有机晶体的非线性磁化率还了解不够。对有机材料非线性光学性质的机理进行研究，将完全有可能导致获得非线性光学性质比现有无机晶体更为优越的材料。

上面所举的各个例子可能只是代表了一些可信的研究方向，他们可能会对固态电子学今后的进展产生冲击。物理学和材料科学现在是那么丰富多彩，如与1945年的情况加以比较，似乎证明了今后32年的电子革命至少有一个良好的前景。

（柯荣炎译，周昌忠、东川校）

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①本文原载美国《科学》第195卷第4283期，1977年3月18日。作者（Giordmaine）是美国贝尔实验中心固态电子学研究实验室主任。