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半导体光纤主持人夏建白院士:中国需要加强半导体高端技术

领域介绍:半导体材料制成的部件、集成电路等是电子工业的重要基础产品,在电子技术的各个方面已大量使用。半导体材料、器件、集成电路的生产和科研已成为电子工业的重要组成部分。

人物简介

夏建白,中国科学院院士,中国科学院半导体研究所研究员,第十届全国政协委员,著名的半导体物理学家

核心提示

半导体是一种材料,随着科学技术的不断发展,它的应用越来越广泛。中国在半导体材料应用规模方面处于世界先进水平,但在大规模集成电路、光通信等高尖端领域,我们技术水平与美国、日本这样的发达国家相比还存在差距。

大多半导体技术在美国发展

主持人:什么叫半导体?

夏建白:在一般老百姓印象里面,半导体好像就是一个半导体收音机。大概十年以前,有人听说我在半导体所,就把坏的半导体收音机拿过来,说你在半导体所,请你修修。(笑)

其实半导体范围很广,半导体是一种材料,在自然界里面,有一种是导体,像金属导体,金、铁、银等等,导电率很高,还有绝缘体,像木头、玻璃,不导电。半导体性质是介于金属和绝缘体之间的一种材料。

主持人:半导体主要是哪个国家发展起来的?中国以前在半导体研究上处于落后地位是因为什么原因?

夏建白:半导体的科学技术大部分都是在美国发展的。

中国历史上有四大发明,咱们现在分析原因,一个当时是旧中国,经济、科学技术很落后,这是一个原因,因为这个发明也需要一个客观的需要。

主持人:和平的或安全的环境?

夏建白:还要有经济技术基础,另外教育制度、科技体制,这些东西咱们国家这几年发展是很快,这也是肯定的,你要有创新性的,原始创新发明还需要改进。

主持人:要求整体社会环境具备那个条件,才有可能产生像您说的划时代的,里程碑式的科学家。我们那个阶段,刚才您谈到了,处于战争、内战,抗日战争的环境。

夏建白:解放以后还有政治运动,文化大革命。

主持人:全国老百姓的温饱问题都是问题,所以当时环境不是太允许。相信中国未来半导体方面的科学家有可能做出一些新的贡献。

夏建白:新的里程碑的贡献。

广泛应用于集成电路和计算机

夏建白:刚才说了半导体收音机,也是一个应用。可是半导体的应用远远不止收音机上。

一个就是大规模集成电路和计算机。计算机现在已经很普遍了,我刚才走进你们的办公室,一大片,你们网站就得需要计算机。集成电路发明以后集成度还比较小,现在是发展越来越快,有一个摩尔定律,每18个月,集成度要翻一番。现在一个片子上有上亿的元件,就是半导体器件,一个小芯片,奔腾那些都是这样的。

举一个例子,奔腾三是十的七次方个元件,生产的话,硅片集成度越大生产效率越大,过去已经达到了12英寸直径,现在已经发展到了14英寸,刻线尺度过去大概是180纳米,现在已经小于一百纳米,到45纳米了,尺寸已经很小了。现在利用这个大规模集成电路,就可以生产大型的电子计算机,咱们国家电子计算机的水平在国际上也是排在前面的。

生产百万亿次的大型数字计算机,世界上没有几个国家,大概也就是美国、日本,我们可能就是第三位。而且我们国家不是一个地方生产,像曙光计算所就能生产,国防部门,像长沙国防大学就能生产百万亿次的大型计算机。

第二个,就是光通信技术。

以前是靠电来通信,一根电线,电报通过电,从北京传到上海,这边电报局发报,那边收报。电的容量很小,一根电话线能传几路。66年,英国标准实验室的高锟,他也是一位华人,提出来用玻璃纤维,就是光纤,通过光损耗可以很小,损耗能低到每公里20分贝,如果再低的话就可以长距离的实现光通信。光通信是什么概念呢,光传播很快,同时光可以调制,通过电来调制,把我要传的信号通过调制的方式放在光上,由光传到那边,那边接收到调制光,再回到这边的信号。这就是光通信。这是一个概念。不过后来光纤马上就做出来了,实际上发现光纤损耗比20分贝还小。光纤是一种介质,光从折射率小的到折射率大的,它不会传出去,会反射,在里面光就一直沿着光纤走,不会出去。

不会从一个光纤里面跑出去,光的信号如果从光纤的周围跑出去了,那损耗就大了,它基本上就是沿着那个光纤走。

光纤有一个好处,可以拐弯,因为光纤是软的。一般通过管子传,是直的,光不会自动拐弯,可是光在光纤里走能够拐弯。

1976年,美国贝尔实验室和西方电气公司,联合做了一个光通信实验,是在亚特兰大这个城市里面,有一个厂房,实验光是不是能够在光纤里面走,走多远,在厂房周围绕了十几圈光纤,大概是十公里长的线路。实验结果是,十公里的线路,损耗仅仅是每公里6分贝,所以就实验成功了。从此以后,光纤通信就慢慢代替了过去那种电报通讯,所以现在很少有人用电报了,发个电子邮件也都很快,甚至发个传真。现在我们国家有三网,一个是电信网络,一个是计算机网络,还有一个有线电视网络。将来超市里面的条形码检验都可以用无线通信设备。无线通信里面的“心脏”,也是要用到超高频的半导体器件,因为频率是在微波波段,比无线电波长更短,超高频的半导体器件现在都已经解决了,是生产异质结的晶体管,因为每一层的厚度都很薄,厚度薄了以后,电子走的速度快了,所以频率就可以达到很高。这个就是无线通信和光通信,是我们国家目前两个重要的通信手段。

现在咱们国家各个企业都在上半导体发光管,目前来说是特殊用途,包括路灯、装饰灯,这次奥运会,有些装饰的灯,像水立方都是用半导体的发光管。

一个是光盘存储,这个已经应用很多了。光盘存储就是在一个光盘上刻了好多记号,最后用激光来读,它的存储大小和激光有关系,过去红光激光器,波长长,所以存储量受到限制,现在是用蓝光激光器,蓝光激光器波长短,所以存储量就大。

甚至是大一倍,所以现在有的光盘,有的存储可以做到一两个G。还比如说,过去都是用气体激光器,氦氖激光器,现在都可以用半导体激光器,体积小多了,就是一小点,取代一个大的氦氖激光器来作为激光测距,激光医疗。比如治疗近视,医院里都用激光仪器。

家用电器就不说了,包括电视、照相机,“心脏”都是半导体。

手机的“心脏”也是半导体芯片,刚才说的大规模集成电路,我们国家生产水平还达不到,比如说45纳米的大规模集成电路,还是美国、日本,我们国家还掌握不了。现在进口一些生产线,在生产下一档的。家用电器的芯片,我们国家实际上都能生产,包括交通卡里面也有芯片,当然要有保密措施,否则人家就仿制了。

中国半导体应用水平较高

主持人:目前我们国家半导体在应用方面,在世界上大概处于什么水平?

夏建白:应用处于比较先进的水平。比如说现在的手机,我前两年去了美国,其实美国的手机还真不如中国的发达,推广的程度,应用方面,还不如中国。

主持人:应用、普及,中国做的比美国还要好?

夏建白:做的比美国还要好,他们还不是很先进的那个,中国手机用户是三亿多。还有家用电器,咱们国家在全世界,还是中国的先进。

主持人:在这方面,我们很多产品都出口的,在世界市场的占有率比较高。

夏建白:对。当然了一些最高端的技术,包括大规模集成电路电路最高端的,还包括一些军事方面,我们可能还需要赶一赶。

半导体材料研究的未来

主持人:是的。最后想请您介绍一下您对半导体技术的未来发展有什么看法。

夏建白:我觉得半导体对全世界来说是发展最快的一门科学技术。将来有哪些发展方向呢,一个是信息量要增加,现在信息量是暴涨,是一个好事,实际上也有一点吃不消。信息量爆炸,现在的存储器、计算机处理都发展很快,以前计算机硬盘,可能是一个G。

主持人:现在一个U盘可能就是几十个G了。

夏建白:不得了,包括信息量的处理手段也是翻番的发展。第二个方向就是更高的集成度,大规模集成电路至少在十年以内还能往前发展,就是按照那个摩尔定律,每18个月往前翻一番,还有空间。也不能无限制发展,再往前发展,比如说尺寸小到十个纳米以下的,有一些新的效应,从量子力学来看,就有一些新的问题。是按照原路来发展,还是产生新的纳米技术,这是要在十年以内解决的问题。

主持人:当前是一个比较新的方向?

夏建白:一个方向。一方面沿着原路往下走,同时我们要考虑到,到头了你怎么办,有些新的问题怎么解决。

主持人:这是半导体研究的新课题?

夏建白:新的课题。第三个,半导体器件要朝波长更长、更短,更大功率的方向发展。长波长的也需要,更短波长,比如说频率更高,无线通讯要求高频,再高,到太赫兹,又开辟了一个更高领域的电子学领域。

主持人:这是什么概念?

夏建白:就是频率增加一千倍,这又是一个新的领域,方向。另外是更大的功率,朝这些方向发展。

主持人:完全是按照不同的用途,朝着不同方向发展,为了满足人类的社会、生活、工作的需要。

夏建白:对。还有一点,就是集成光学和集成光电子。刚才说了,光通信是一些电的信号转化成光的信号,光在光纤里传,同时光的信号要变成电信号,我们才能够听到、看到。这个设备就比较大。希望一次解决,在一个芯片上,电信号直接变成光信号,就是说在一个芯片上又做电学器件,又做光学器件,机器体积小,效率高;最关键的就是,因为大规模集成电路是在硅片上做的,一般光学器件用化合物半导体做的,这两个还合不到一块,因为这是两种材料怎么做到一个片子上,希望在硅的材料上也能做发光器件,然后做到一个芯片上,这是目前需要解决的问题,也是将来的发展方向,就是叫光电集成,把这两个技术集中在一个芯片上,固定在一个平台上。还有其他一些,更远一点的发展,就是我刚才说的,大规模集成电路到头了你怎么办,纳米技术,纳米的新材料来做成新的器件,为了做成器件要研究新的物理现象,新的原理,包括自旋等等,现在都是新的发展方向,也是更远的方向。
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