关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体
1半导体材料的战略地位
上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。
2几种主要半导体材料的发展现状与趋势
2.1硅材料
从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。
从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。
理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。
2.2GaAs和InP单晶材料
GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。
目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。
GaAs和InP单晶的发展趋势是：
（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。
（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。
（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。
（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。
2.3半导体超晶格、量子阱材料
半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。
（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。
GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。
虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。
为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。
目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。
（2）硅基应变异质结构材料。
硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。
另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。
尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。
2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料
基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。
目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。
在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。
与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。
王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。
低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。
2.5宽带隙半导体材料
宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。
以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。
II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。
宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配
异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。
目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。
3光子晶体
光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。
4量子比特构建与材料
随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。
所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。
这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。
5发展我国半导体材料的几点建议
鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。
5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位
至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。超级秘书网
5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议
GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。
5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议
（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。
宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。
（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。
关键词：专业建设；学科建设；品牌专业；新专业；信息与通信工程学科
中图分类号：G647文献标志码：A文章编号：1674-9324（2013）44-0219-04
学科发展与专业建设是支撑与推动大学运行的两翼。作为以人才培养为主要工作内容的高等学府，通过加强学科建设，促进专业建设水平的提高，继而提高人才培养的质量，是一条行之有效的途径。通过加强信息与通信工程学科的建设，我们以重点专业为依托，调整专业结构，拓宽专业口径，改造原有优势专业通信工程、电子科学与技术、电子信息工程和电子信息科学与技术，培育品牌专业和特色专业。为使专业设置、课程体系建设能够满足行业企业需求和学生就业需要，对接产业结构、优化专业结构，我们合理设置光源与照明新专业。建设与区域经济发展密切相关、行业特色鲜明、模式先进的重点专业，形成全新的专业人才培养方案，显著提高专业整体建设水平。
一、学科建设和专业建设的辩证关系
学科建设是龙头，专业建设是依托。学科从本源上讲，要先于专业，是专业的基础，但是学校的首要功能是人才培养，其次才是科学研究。所以学校建设，首先是进行专业建设，然后才能进行学科建设。若从发展和提高这个角度来讲，学科建设则是学校建设的龙头。因为学科不仅先于专业，而且高于专业。专业不论是学科的分化，还是学科的综合，都是以学科为基础的。要提高专业水平，必须以提高学科水平为前提，所以学校建设必须以学科建设为龙头[1]。我们提出学科建设和专业建设中应做到兼顾发展，协调发展，坚持以学科建设为龙头，以专业建设为依托，统筹规划，整体推进，避免投入分散、建设重复，从而使有限的办学资源得到充分利用。天津工业大学电子信息与工程学院信息与通信工程一级学科是天津市高校“十二五”综合投资规划二类学科。通信与信息系统二级学科是天津市高校“十一五”综合投资规划重点建设学科，电子科学与技术学科为该学科的支撑学科。在“十五”期间，通信与信息系统学科为我校天津市“十五”重点建设学科“计算机应用技术”的支撑学科。经过“十五”、“十一五”和“十二五”建设，本学科发展迅速，在队伍建设、平台建设、科研等方面已具有一定的基础。从建院以来，学院就始终坚持“以学科建设为龙头，以教学为支撑，以科研为骨架，做好龙头，做实支撑，做强骨架”的指导思想。为了作好龙头工作，早在建院时就成立了学科建设办公室，负责全院学科建设的统筹和规划。我们充分认识到学科建设不是一项独立的工作，需要聚全院之力，形成合力，共同努力，才能取得实效。因此围绕学科建设这个龙头开展各自的工作，我们注重发动学院各系部主任共同参与学科建设管理工作中来。这样使得针对学科和专业建设的院领导、各系部主任能够根据学院的总体学科和专业发展规划，来具体制定本系部的工作计划，避免了以往各自在科学研究方向凝练、人才引进，设备和资金投入、基地建设等方面的盲目性和分散性。在学科建设和专业建设中做到兼顾发展，协调发展，尤其对于新建学院，在财力有限的情况下，做到“有所为，有所不为”。十多年的实践表明，这样的管理方式对学科和专业建设起到了重要的作用，是一条很好的途径。通过加强学科建设，促进了专业建设水平的提高，从而提高了人才培养的质量。
二、学科发展促进原有优势专业的建设
依托于天津市高校“十五”、“十一五”、“十二五”重点学科建设，我们加强了通信工程、电子信息工程、电子科学与技术、电子信息科学与技术等专业的改造，积极探索传统专业与现代科学技术结合的有效途径，保持学科专业的优势与特色，不断充实专业内涵，拓宽专业口径，推进专业品牌建设。我校1999年设立了通信工程专业，2000年开始招生。自开设以来学校非常重视该专业的建设，并列为重点建设专业。在“十五”期间，通信工程专业作为天津市“十五”重点建设学科专业，得到了天津市“十五”重点建设学科和中央地方共建投资的经费支持；在“十一五”期间，该专业继续得到了天津市高校“十一五”综合投资学科建设项目、天津市重中之重学科“通信与信息系统”和中央地方共建的经费支持。获得了与该专业相关的信息与通信工程一级学科下所有二级学科通信与信息系统、信号与信息处理的硕士学位授予权。多年来，通信工程专业坚持以社会需求为导向，以学科建设为龙头，以深化改革为动力，以本科教育为主体，以应用型人才培养为定位，全面培养和造就厚基础、宽口径、具有创新精神和实践能力的高级专门人才的专业建设思路。
1.在本专业人才培养方案方面，开展了“面向天津市信息产业链，产学研结合培养应用型高级专门人才”子项目“面向天津市产学研结合本科通信工程专业人才培养模式研究”研究，建立了与之相适应的课程体系，并加强推广应用，并获得了国家教学成果二等奖；建设了《电路理论》、《通信原理》市级精品课程，《高频电子技术》和《信号与系统》校级优秀课程；依据所建立的课程体系和课程建设要求，积极改革教学内容，出版了适应该培养模式下的《电路理论》、《高频电子技术》（教育部“十一五”规划教材）、《数字图像处理技术与应用》（教育部“十一五”规划教材）、《现代通信原理及应用》（天津市“十五”规划教材）和《计算机通信网》等系列教材。
2.学科建设的内涵建设使通信工程专业的师资队伍大为改善，建立了一支以博士、教授为骨干力量的高水平师资队伍，高级职称教师比例为35%，具有博士学历的比例为44%，另有5位青年教师在在职攻读博士学位。学科建设过程中研究方向的凝练进一步提高了科学研究理论水平，实验室建设成为教学、科研、学术活动、青年教师培养的基地。高水平学科培养的大量高素质硕士和博士，对于本科生进一步深造起到引领示范作用，为学生今后的深造与发展创造了空间。
3.为培养具有创新能力、创造能力、实践能力和就业能力的通信工程专业应用型人才，开展了校企合作办学“第二校园计划”，建立了以摩托罗拉（天津）电子有限公司、飞思卡尔半导体（天津）有限公司为基地的“第二校园”，以天津市北海通信技术有限公司、南大整理公司、天津市中环电子信息集团有限公司、准讯电子、森特尔新技术有限公司、南大强芯半导体芯片设计有限公司、海博光电科技有限公司、天津市智博通讯有限公司、深圳骏遒电子有限公司和深圳讯方公司等为实践平台的工业级实习基地，培养了一批优秀的本科毕业生。
4.面向学生建立了多层次学科竞赛平台，支持学生参加部级、市级及学校组织的各项科技竞赛，在参加比赛的过程中锻炼学生独立分析问题和解决问题的能力。通信工程专业学生目前已多次参加全国大学生电子设计竞赛、Freescale电子设计竞赛、数学建模、“创兴杯”大赛等重大赛事，并取得了优异的成绩。
依托于天津市高校“十五”、“十一五”、“十二五”重点学科建设，通信工程专业办学条件日趋完备，专业水平显著提高，正逐步向教学—实践—就业的一体化培养模式目标迈进，是天津市市属高校中处于领先地位的专业之一，本专业已成为天津市高等学校“十二五”综合投资规划品牌专业。
三、学科发展促进新增专业的建设
半导体照明技术与工程一直是天津工业大学重点支持和发展领域，学校在各个方面对半导体照明领域的发展给予全力支持，扩建现有实验室，进一步增强本专业学生实践能力的培养实力。目前，天津工业大学是“大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心”和“天津市大功率半导体照明技术工程中心”的依托单位，“中心”不仅关注于高端和前瞻性的研究和开发，还特别强调后续应用性的研发，通过专业化研发分工管理以及合作产业化企业，形成产学研一体化的高效体系，持续增强核心竞争力，快速提升行业地位。中心利用自身研发及成果转化优势，与世界同步地开展了半导体照明产业链各个环节的技术及产业化攻关，突破了从超高亮度外延材料、大功率照明应用产品、照明智能控制等一批应用瓶颈关键技术。目前已经在半导体照明领域各环节获得了数量众多的核心专利，并先后承担课题科研总经费1981万，完成了全球首批大规模商用化产品示范工程——天津工业大学新校区半导体照明示范工程、东北大学家属区照明示范项目、天津市小站新镇等大型项目，得到行业广泛认可，促进了中心与产业链上各环节的国内外实力企业建立了深入的合作关系。为加强科技成果向生产力转化的中间环节，促进科技的迅速产业化，中心与中科院物理所共建大功率发光芯片工艺实验室，与中环电子信息集团联合建设了LED外延材料生长工程化中试基地，与天津海宇照明技术有限公司和天津汽车灯厂建设了大功率半导体照明产品工程化中试基地，与世界级的半导体企业美国CREE公司、德国OSRAM公司及澳大利亚国家光电子实验室开展了广泛而深入的合作。天津工业大学、天津开发区和美国CREE公司向全世界公布开始共同推广中国首个LED绿色城市照明活动，率先走出了一条半导体照明行业的产学研共同发展之路。半导体照明产业是一个技术发展快、知识更新周期短的行业，现有专业教育传授的知识技能往往不够及时，滞后于快速发展的产业应用技术；LED产业需求的专业门类比较繁多，包含了光学、材料学、电子信息、机械等方面，而目前高校培养的基础类和传统照明的毕业生较多，还没有专门开设半导体照明技术与工程的专业技能课程，产业急需的具备光机电结合、集成创新的毕业生有效供给不足；同时，相当多的相关专业毕业生实践应用能力较弱，不能满足企业的岗位要求，企业岗前培训投入的成本较大，导致大多数企业不愿意招聘相关专业的应届毕业生。为了更能适应半导体照明领域的研发及生产的切实需要，加强我国在半导体照明领域的创新能力，摆脱目前关键材料与器件受制于发达国家的状况，半导体照明技术与工程专业人才将具有持续和潜在的市场需求，因此增设一个专门从事半导体照明技术与工程复合型人才培养的“光源与照明”专业显得十分必要和紧迫。
从2008年开始学院在电子科学与技术本科专业中设置了“半导体照明技术与工程”专业方向，并在2006、2007、2008级学生中各选出2个班，每班25人。2006、2007、2008级学生通过接受半导体照明技术与工程专业的课堂理论学习和实践能力的培养训练，经过各位专业教师在教材的选定、新教材及讲义的编写、教案及讲稿的精心准备、实验与实践科目选定及实践软硬件平台的细心搭建下，学生表现出较高的学习积极性和自主性，学习氛围和教学效果良好。在此基础上，我们申报了光源与照明本科新专业，教育部下发了《关于公布2009年度高等学校专业设置备案或审批结果的通知》（教高〔2010〕2号），我校申请增设的光源与照明本科专业（专业代码：080610W）获教育部批准，成为全国首个设置该专业且专门培养半导体照明技术人才的高校。这是我校为适应国家及天津市经济社会发展，特别是滨海新区开发开放对人才培养的要求，在本科专业建设方面的重大举措和突破。光源与照明专业开设“半导体照明材料与器件”和“半导体照明工程应用”两个专业方向，学制四年，毕业授予工学学士学位，2010年开始面向全国招生。该专业旨在培养具有良好光源与照明专业知识和创新能力，掌握照明用光源，尤其是半导体照明材料、装备、工艺及照明控制工程相关的理论知识与技术，具备半导体照明产品的设计、开发、制造、智能化控制、工程设计与施工、产品检测、技术管理等领域的实际工作能力，能够在半导体照明行业及其相关的集成电路设计与制造公司、光电子整机企业等单位胜任微光电子产品的研发、设计、制造、工程应用和性能测试等工作的复合型高级工程技术人才。在促进半导体照明技术产业化的同时，我们利用学科发展的契机，注重将科研优势向本科专业教学的延伸，通过在电子科学与技术等相关学科专业试办了“半导体照明技术与工程”专业方向，利用学科建设投资在全面完成学科建设任务的同时，也为新专业的建设拥有了良好的师资队伍和实验、实践教学条件。
四、学科发展促进教师队伍的建设
根据学校教师队伍建设的具体要求，信息与通信工程学科非常重视人才引进与培养。按照“引进、培养和使用”的师资队伍建设思路，积极引进高水平人才，师资队伍规模稳步扩大；对人员进行优化组合，引进、选拔、培养学科带头人，采取多种形式提高教师队伍的素质和水平。本学科共组织引进博士31人，其中天津市特聘教授1人、天津市特聘讲座教授1人，申报成功天津市2人。由于学院青年教师较多，学院借助重点学科建设搭建的平台，重视青年教师的培养与发展。按制定的《电子与信息工程学院新教师上岗制度》和《电子与信息工程学院青年教师培养制度》加强对青年教师的培养。为每一位35岁以下或参加教学工作不足两年的教师制定详细且切实可行的青年教师培养计划，采取导师制，以老带新，每一位青年教师都配有高学术水平的教师作为指导教师；请学术水平高、教学效果好、有丰富教学经验的专家、教授给中青年教师进行讲座或培训；派中青年教师到国内外高水平大学或研究机构进修学习和参加科研项目。创造条件，鼓励中青年教师攻读校内、外的博士学位，目前本科专任教师中具有硕士及以上学位的有教师64人，比例达到90.14%；拥有博士学位的教师37人，比例达到51.1%。
五、学科建设促进专业课程建设和教材建设
学科建设推动科学研究向更高层次发展，凝练学科方向，对于重点学科予以各方面扶持，确保相应学科获得高层次科研项目和科研成果，不但提升了学科在相关领域的影响力，提升了学科水平，也保障了学科最新研究成果及时走进课堂，学科前沿知识及时进教材，充实教学内容，提高了本科教学的层次，保障紧跟学科发展的前沿，从内容和认识上促进了本科教学水平的提高，加强了教学的深度，拓展了教学的广度。我们将精品课程建设与重点学科建设统筹考虑，鼓励广大教师将学科优势与科研成果服务于教学和向教学转化，进一步优化了专业必修课教学内容，调整选修课课程结构，把新理论、新知识、新方法、新技术融入教学之中。目前已具有《电路理论》、《通信原理》市级精品课程，《高频电子技术》和《信号与系统》校级优秀课程。学科的发展也带动了教材的建设。依据所建立的课程体系和课程建设要求，积极改革教学内容，出版了适应该培养模式下的《电路理论》、《高频电子技术》（教育部“十一五”规划教材）、《数字图像处理技术与应用》（教育部“十一五”、“十二五”规划教材）、《现代通信原理及应用》（天津市“十五”规划教材、天津市“十二五”规划教材、工业和信息化部普通高等教育“十二五”规划教材）和《计算机通信网》等系列教材。
六、学科发展促进专业实验室的建设
依托于天津市高校“十五”、“十一五”、“十二五”重点学科建设，我们投入大量学科建设经费，以开设设计型和综合型实验为目标，加大专业实验室建设力度，建立了一个从信息采集与检测、信息处理与分析到信息传输与应用的功能完备、特色突出的信息与通信工程学科科技创新平台，为本科教学开展创新实践提供了开放式平台，成为了高水平教学科研专业实验室，对于培养本科生探索精神、创新意识起到了积极作用。
充分利用建设信息与通信工程学科创新平台的契机，我们改造了实践教学设施和基地，建设了一个从信息采集与检测、信息处理与分析到信息传输与应用的完整的电子信息专业实验创新平台。其中电子信息工程综合实验室、虚拟仪器实验室等主要提供信息检测与传感的实验平台；信号与信息处理实验室等主要提供现代信息处理与分析的实验平台；现代通信系统与工程实验室、现代通信网络实验室等主要实现信息传输的实验平台；集成电路设计实验室、半导体器件原理与测试综合实验室等主要实现半导体器件和大规模集成电路的设计和测试。信息与通信工程学科创新平台为现代通信网络及通信技术应用研究、通信中的信息处理、通信中关键器件研究及设计三个研究方向提供自器件—电路—系统自底向上的硬件研究体系，可以相互呼应，构成电子信息专业整体的教学科研实践创新平台。该创新平台的建立，有利于培养应用型、创新型人才，不仅为本学科的科研人员、研究生进行科学研究提供科研平台，为建设高水平的科研团队奠定基础，也为本科教学提供了优异的实验条件，较大程度改善了实验室软、硬件条件。通过充分利用学科建设创造的良好实验和设备条件，我们通过不懈努力，积极创造良好的学术创新氛围，开展了校企合作办学“第二校园计划”，建立了以摩托罗拉（天津）电子有限公司、飞思卡尔半导体（天津）有限公司为基地的“第二校园”，以天津市北海通信技术有限公司、南大整理公司、天津市中环电子信息集团有限公司、准讯电子、森特尔新技术有限公司、南大强芯半导体芯片设计有限公司、海博光电科技有限公司、天津市智博通讯有限公司、深圳骏遒电子有限公司和深圳讯方公司等为实践平台的工业级实习基地。2011年学院2009、2010级学生中就有815人次以上（不包括校四杯一会竞赛）参加各类学科竞赛，参与比例达到77%。学院有355人次在校级及以上竞赛中获奖，获奖率达到18.67%；共有167人次在市级及以上竞赛中获奖，获奖率达到8.78%。充分利用校企合作开展第二课堂活动的机会，学生不仅在校内外科技竞赛中取得了巨大成绩，在校外企业生产发明方面也取得重大突破。学院2009级本科生宋功明在天津麦奥合同能源管理有限公司实习期间研制的MOS管电子镇流器的功耗仅有0.7瓦，为国内同行最低。该镇流器节能超过40%，且稳定性强，寿命远远高于传统电子镇流器。这项研究成果已申请国家专利，由位于滨海新区的天津麦奥合同能源管理有限公司投产。该公司应用本厂日光灯灯管配合这款镇流器，使该厂日光灯在节能和寿命等方面可与LED灯比肩。宋功明同学的这一发明创新也是电子与信息工程学院在开展第二课堂活动方面取得的一个成果。宋功明同学的发明已经被搜狐网、北方网、网易等媒体争相报道。
综上所述，依托于天津市高校“十五”、“十一五”、“十二五”重点学科建设，加强了通信工程专业的改造，保持学科专业的优势与特色，不断充实专业内涵，拓宽专业口径，推进通信工程专业品牌建设。在促进半导体照明技术产业化的同时，注重将科研优势向本科专业教学的延伸，通过在“电子科学与技术”等相关学科专业试办“半导体照明技术与工程”专业方向，成功申报“光源与照明”本科新专业。将精品课程建设与重点学科建设统筹考虑，鼓励广大教师将学科优势与科研成果服务于教学和向教学转化，进一步优化了专业必修课教学内容，调整选修课课程结构，把新理论、新知识、新方法、新技术融入本科教学之中。建设高水平信息与通信工程学科创新平台，在提升学科综合竞争力的同时，为本科实践教学提供开放式平台，对于培养本科生探索精神、创新意识起到了积极作用。
[关键词]半导体；晶体管；超晶格
中图分类号：O47
文献标识码：A
文章编号：1006-0278（2013）08-185-01
一、半导体物理的发展
（一）半导体物理早期发展阶段
20世纪30年代初，人们将量子理论运用到晶体中来解释其中的电子态。1928年布洛赫提出著名的布洛赫定理，同时发展完善固体的能带理论。1931年威尔逊运用能带理论给出区分导体、半导体与绝缘体的微观判据，由此奠定半导体物理理论基础。到了20世纪40年代，贝尔实验室开始积极进行半导体研究，且组织一批杰出的科学家工作在科学前沿。1947年12月，布拉顿和巴丁宣布点接触晶体管试制的成功。1948年6月，肖克利研制结接触晶体管。这三位科学家做出杰出贡献，使得他们共同获得1956年诺贝尔物理学奖。
晶体管的发明深刻改变人类技术发展的进程与面貌，也是社会工业化发展的必然结果。早在20世纪30年代，生产电子设备的企业希望有一种电子器件能有电子管的功能，但没有电子管里的灯丝，这因为加热灯丝不但消耗能量且要加热时间，这会延长工作启动过程。因此，贝尔实验室研究人员依据半导体整流和检波作用特点，考虑研究半导体能取代电子管的可能性，从而提出关于半导体三极管设想。直到1947，他们经反复实验研制了一种能够代替电子管的固体放大器件，它主要由半导体和两根金属丝进行点接触构成，称之为点接触晶体管。之后，贝尔实验室的结型晶体管与场效应晶体管研究工作成功。20世纪50年代，晶体管重要的应用价值使半导体物理研究蓬勃地展开。到了20世纪60年代，半导体物理发展达到成熟和推广时期，在此基础上迎来微处理器与集成电路的发明，这为信息时代到来铺平道路。1958年，安德森提出局域态理论，开创无序系统研究新局面，这也为非晶态半导体物理奠定基础。1967年，Grove等人对半导体表面物理研究已取得重要进展，并使得Si-MOS集成电路稳定性能得以提高。1969年，江崎与朱兆祥提出通过人工调制能带方式制备半导体超晶格。正是在半导体超晶格研究中，冯·克利青发现整数量子霍尔效应。在1982年，崔琦等发现了分数量子霍尔效应，这一系列物理现象的发现正揭开现代半导体物理发展序幕。
（二）半导体超晶格物理的发展
建立半导体超晶格物理是半导体的能带理论发展的必然。之后，人们对各种规则晶体材料性能有相当认识，从而开创以能带理论作为基础的半导体物理体系，也借助其来解释出现的一系列现象。1969年与1976年的分子束外延和金属有机物化学汽相沉积薄膜生长技术正为半导体科学带来一场革命。随微加工技术的逐步发展，加之超净工作条件的建立，实现了晶体的低速率生长，也使人们能创造高质量的异质结构，同时为新型半导体器件设计及应用奠定技术基础。1969年，江崎和朱兆祥第一次提出“超晶格”概念，这里“超”的意思是在天然的周期性外附加人工周期性。1971年，卓以和利用分子束外延技术生长出第一个超晶格材料。从此拉开了超晶格、量子点、量子线和量子阱等等低维半导体材料研究序幕。
二、半导体物理的启示
综上所述，文章简单地对半导体物理的一个发展历程进行了回顾，并可以从中得到以下几点启示：
（一）半导体物理的发展一直与科学实验与工业技术应用紧密联系
20世纪30年代之前，人们已经制成整流器、检波器、光电探测器等半导体器件，同时在实验中发现金属——半导体的接触材料上一些导电特性，可是无法理解这其中的物理机理。一直到能带理论建立后，基础建立起金属——半导体接触理论。随后，在实验过程中却发现该理论与实验测量是有出入的，又提出半导体表面态理论。正由于考虑到半导体表面态影响，贝尔实验室才能成功研制晶体管，这又促进半导体物理发展。不难发现，半导体物理的发展与实验是离不开的，因新的实验结论推动相应理论的建立，而理论发展又会反过来去指导实验的研究。19世纪30年代法拉第发现电磁感应定律，这为电力的广泛应用奠定理论基础，架起电能和机械能相互转化的桥梁，为第二次工业革命铺路。晶体管的成功研制，大规模与超大规模集成电路出现，导致第三次工业革命。这都是涉及信息技术、新材料技术、新能源技术、空间技术和生物技术等众多领域的一场信息技术革命。