王佔國 -半導體材料物理學家

王佔國

半導體材料物理學家
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半導體材料物理學家。

  • 中文名稱
    王佔國
  • 性    別
  • 民    族
    漢族
  • 國    籍
    中國
  • 畢業院校
    南開大學

院士簡介

半導體材料物理學家。1938年12月29日生于河南省鎮平。1962年畢業于南開大學物理系。中國科學院半導體所研究員。早期致力于半導體材料光電性質和矽太陽電池輻照效應研究。從1980年起,主要從事半導體深能級物理和光譜物理研究,提出了識別兩個深能級共存系統兩者是否是同-缺陷不同能態的新方法,解決了國際上對GaAs中A、B能級和矽中金受主及金施主能級本質的長期爭論。提出混晶半導體中深能級展寬和光譜譜線分裂的物理模型,解釋了它們的物理起因。提出了GaAs電學補償五能級模型和電學補償新判據。協助林蘭英先生,首次在太空從熔體中生長了GaAs單品並對其光電性質作了系統研究。近年來,他領導的實驗組又在應變自組裝In(Ga)As/GaAs,In(Ga)As/InAlAs/InP等量子點(線).與量子點(線)超晶格材料生長和大功率量子點雷射器研製方面獲得突破。最近,他又提出了柔性襯底的概念,開拓了大失配材料體系研製的新方向。1995年當選為中國科學院院士

個人生平

1962年畢業于南開大學物理系,同年到中科院半導體所工作。1980年10月-1983年11月赴瑞典隆德大學固體物理系進修,從事半導體深能級物理和光譜物理研究。1986年任半導體所研究員,材料室主任;1990年博士生導師,副所長;

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從1990年起先後任中科院半導體材料科學實驗室主任、學委會主任,國際半導體和半絕緣材料,國際半導體缺陷識別、成像與物理會議等多個顧問委員會委員;2002年國際材聯電子材料會議副主席兼程式委員會主席;2004年和2005年國際半導體和絕緣體材料會議和國際半導體缺陷識別、成像與物理會議主席。

1991–2001年任國家高技術新材料領域專家委員會委員、常委、功能材料專家組組長,因對"863"計畫做出突出貢獻,2001年"863"計畫十五周年時,被科技部授予先進個人稱號;1996–2000年任國家S-863計畫綱要建議軟課題研究新材料技術領域專家組組長;2003年國家材料中長期科技發展戰略研究新材料專家組組長;1996-2002年和2006-國家自然科學基金信息學部半導體學科評審專家組組長;國家科技獎勵評審專家;天津經濟技術開發區、河南鄭州經濟技術開發區等顧問;從1992年起先後任南京大學、西安交大、山東大學、河南大學和南開大學等多所高校兼職教授和多個國家、部門開放實驗室學術委員、副主任和主任委員;多個國內學術刊物編委,中國電子學會高級會員、常務理事、半導體和集成技術分會主任,中國材料研究學會常務理事、副理事長;北京市人民政府第八屆專家顧問團顧問和天津市人民政府特聘專家等。1995年當選為中國科學院院士,現任信息學部常委。

個人成就

主要從事半導體材料、器件輻照效應和光學、電學性質研究。其中,矽太陽電池電子、質子輻照效應研究成果為我國人造衛星用矽太陽電池定型(由PN改為NP)投產起了關鍵作用;受中國人民解放軍第14研究院的委托,他負責製定了我國電子材料、器件和積體電路輻照效應研究方案和實施計畫,電子材料、器件和積體電路的電子、質子、中子和射線的靜態、動態和核爆瞬態輻照實驗結果為中國航天事業、核加固、核突圍和電子對抗等國防工程做出了貢獻。

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1971-1980年,他負責設計、建成了低溫電學測量和光致發光實驗系統,並對GaAs和其它III-V族化合物半導體材料的電學、光學性質進行了研究。其中,體GaAs熱學和強場性質的實驗結果以及與林蘭英先生一起提出的"GaAs質量的雜質控製觀點",對我國70年代末純度GaAs材料研製方向的戰略轉移和GaAs外延材料質量在80年代初達國際先進水準貢獻了力量。1980-1983年,經黃昆和林蘭英兩位所長推薦,他作為訪問學者,赴國際著名的深能級研究中心瑞典隆德大學固體物理系,從事半導體深能級物理和光譜物理研究。在國際該領域的權威H.G.Grimmeiss教授等的大力支持和合作下,做出了多項有國際影響的工作,如提出了識別兩個深能級共存系統兩者是否是同一缺陷不同能態新方法,解決了國際上對GaAs中A、B能級和矽中金受主及金施主能級本質的長期爭論;提出了混晶半導體中深能級展寬和光譜譜線分裂的物理新模型,解釋了它們的物理實質;澄清和識別了一些長期被錯誤指派的GaAs中與銅等相關的發光中心等。在這期間發表的10篇論文,截止1995年5月,被引用200餘次。

王佔國王佔國

1984-1993年,在半導體材料生長及性質研究中,先後負責承擔多項國家自然科學基金、國家重點科技攻關和國家高技術"863"研究課題。提出了GaAs電學補償五能級模型和電學補償新判據,為提高GaAs質量器件與電路的成品率提供了依據。與人合作,提出了直拉矽中新施主微觀結構新模型,拚棄了新施主微觀結構直接與氧相關的傳統觀點,成功地解釋了現有的實驗事實,預示了它的新行為;在國內率先開展了超長波長銻化物材料生長和性質研究,並首先在國內研製成功InGaAsSb,AlGaAsSb材料及紅外探測器和雷射器原型器件。協助林蘭英先生,開拓了我國微重力半導體材料科學研究新領域,首次在太空從熔體中生長出GaAs單晶並對其光、電性質作了系統研究,受到國內外同行的高度評價。納米半導體技術/納米技術套用叢書從1993開始,他工作的重點已集中在半導體低維結構和量子器件這一國際前沿研究方面,先後主持和參與負責10多個國家863、國家重點科技攻關,國家自然科學基金重大、重點和面上項目以及中科院重點、重大等研究項目。他和MBE組的同事一起,在成功地生長了國內領先、國際先進水準的電子遷移率(4.8K)高達百萬的2DEG材料和高質量、器件級HEMT和P-HEMT結構材料的基礎上,近年來,又發展了應變自組裝In(Ga)As/GaAs,InAlAs/AlGaAs/GaAs,InAs/InAlAs/InP和InAs/InGaAs/InP等量子點、量子線和量子點(線)超晶格材料生長技術,並初步在納米尺度上實現了對量子點(線)尺寸、形狀和密度的可控生長;首次發現InP基InAs量子線空間斜對準的新現象,被國外評述文章大段引用;成功地製備了從可見光到近紅外的量子點(線)材料,並研製成功室溫連續工作輸出光功率達4瓦(雙面之和)的大功率量子點雷射器,為目前國際上報道的最好結果之一;紅光量子點雷射器的研究水準也處在國際的前列;最近,他作為國家重點基礎研究規劃項目"信息功能材料相關基礎研究"的首席科學家,又提出了柔性襯底的概念,為大失配異質結構材料體系研製開闢了一個可能的新方向。

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上述研究成果曾獲國家自然科學二等獎和國家科技進步三等獎,中國科學院自然科學一等獎和中國科學院科技進步一,二和三等獎,何梁何利科學與技術進步獎,國家重點科技攻關獎以及優秀研究生導師獎等10多項;從1983年以來,先後在國外著名學術刊物發表論文180多篇,培養博士、碩士和博士後數十名。

鍾情于半導體

半導體的發展和套用中國科學院院士、中國科學院半導體研究所研究員、原副所長,中國電子學會半導體與集成技術分會主任,中國材料研究會副理事長,北京市人民政府專家顧問團顧問,973重大基礎研究計畫,信息功能材料相關基礎問題項目首席科學家王佔國:院士。對半導體的發展和套用作了一個介紹。

物質的存在形式是多種多樣的,有固體的、液體的、電漿的等等。簡單說,半導體是介于導體和絕緣體物質中間的一種材料。比如說金、銀、銅、鐵等導體材料,他們都有著很高是電導率,導熱性能也很好。另外像玻璃、陶瓷、琥珀和塑膠等一類材料,它們的導電很差,導熱也不好,我們稱之為絕緣體。我們把介于絕緣體和導體之間的材料稱之為半導體,這個很容易理解。

半導體發現的歷史比較久。早在1833年的時候,英國人巴拉迪首先發現了一種叫做硫化銀的材料,它的電阻是隨溫度的升高而降低,與一般我們知道金屬的電阻是隨著溫度的升高而升高恰巧相反,這個現象是半導體特有的這種導電的現象的第一次的發現。1839年法國的貝克萊爾發現半導體和電解質接觸形成的結,在光照下會產生一個電壓,這就是後來人們熟知的光生伏特效應,這是被發現的半導體的第二個特征。

王佔國:到了1873年,英國的史密斯發現硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應,這是半導體第三個特有的性質。

在1874年,德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關,在它兩端加一個正向電壓,它是導通的;如果把電壓極性反過來,它就不導通,這就是半導體的整流效應,是半導體所特有的第四個特征。半導體的這四個特征遠在1874年以前先後都發現了,直到1911年,考尼白格和維斯兩人首次使用了半導體這個名字,半導體的真正被認可是在1947年12月電晶體發明後。

王佔國為什麽半導體被認可需要這麽多年呢?主要原因是當時的材料不純,如果材料不純,比如說電導隨著溫度的增高而增高,究竟是表面效應呢,還是其它別的一些原因?人們當時是搞不清楚的。1947年12月貝爾實驗室用提純了的半導體鍺晶體發明了電晶體,半導體才正式得到了人們的認可。

:半導體給我們人類帶來了很多的便利,使我們的生活發生了一個很大的變化,與幾十年前半導體還沒有得到廣泛套用前相比,人類的生活質量得到了很大改善。半導體必須遵循摩爾定律,這個定律是美國人摩爾提出來的。矽材料不可能無限的減小尺度,器件尺寸也不可能無限減小,到一定的程度就發生新的效應。現在的器件都是有成千上萬的電子嵌在裏面,把這成千上萬的電子"請"出來的時候,就要發生變化,就產生記憶了。在這種情況下,當你的體積越來越小,面積越來越小,尺寸越來越小的時候,耗電量是很大的,熱耗和功耗使你無法存在。按照現在的說法,每個平方釐米有十億個元件的時候,功率不減小發的熱可能就會把矽片熔化。

這時候摩爾定律遇到了新的困難。比如你要減小十個電子,五個電子,變成了量子效應,不再受統計物理的影響。一個平方釐米有一億到十億元件的數目,你怎麽能保證在這個導電通道中,雜質原子的分布是均勻的?這很難做到。雜質原子的統計分布、掌握引起器件性能不同。

現在的器件結構,中間有一層介質是絕緣的,加上一個電壓控製絕緣層下面的溝道中電子流動或者不流動,這個厚度也是隨著集成度的增加在減小的。減小到幾個納米的時候,加一個很小的電壓就射穿了,氣電流難以控製。所以摩爾定律達到一定程度的時候,會遇到量子尺寸效應,功耗問題、擊穿問題等等,這就限製了按照現在的模式繼續發展下去,這就是摩爾定律受到了挑戰。因為人對信息的需求是無限製的,它要追求更高的性能,為此人們就要想很多新的辦法。王佔國半導體材料未來的發展趨勢是積極和樂觀的。它的潛力還遠遠沒有被挖掘出來。除以上介紹的量子計算和量子通信技術之外,還有分子電子學,納米電子學都在探索之中。如納米電子學用什麽材料?是矽、鍺矽和碳納米管材料等,都在探討中,尚無結論。盡管如此,人們可以構想,像矽這樣一個難得的好材料,是很難被廢棄的。不少人認為在矽的基礎上發展與其兼容的新技術是一個重要的方向,這樣不僅可以充分利用矽微電子成熟的知識和技術,而且上萬億的設備投資可以繼續使用。當然這隻是大家的期望,科學技術的發展在某種程度上是不依人們的意志為轉移的。

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現在的半導體材料多是無機的,半導體材料將從無機材料為主逐步向有機/無機復合,有機/無機與生命體復合和納米結構材料方向發展。有機半導體材料,特別是有機發光材料和有機發光二極體發展很快,已嶄露頭角;進一步有機/無機材料復合,有機和無機材料以及與生命體相結合,必將大大提高人類生活質量。半導體作為物質存在的一種形式,將永遠存在和不斷發展,並將對推動人類社會發展起著愈來愈大的作用。

個人語錄

半導體的套用很廣,它的第一個套用就是利用它的整流效應作為檢波器,就是我們現在說的點接觸二極體,即將一個金屬探針觸在一塊半導體上,它就可以用來檢測電磁波,年紀大一點的人可能還記得曾經用過的礦石收音機。

有一個足夠小的島,一個電子進到這個島裏時,如果原來這個島裏有一個電子,新來的這個電子就會受到排斥,因為島很小,兩個電子靠得很近,相互排斥很強,排斥能使系統能量升高,就會阻止第二個電子的到來,稱作庫倫阻塞;隻能當外加電壓使系統釋放出這個電子後,第二個電子才能再來,這就構成了電腦的基本單元一個"比特(0和1)"。

學術成果

代表性著作 : "《納米半導體技術》,王佔國,2006-4-1,化學工業出版社

《中國材料工程大辭典》,王佔國,2006-3-1,化學工業出版社

《中國材料工程大典 信息功能、材料工程》,王佔國,2006-3-1,化學工業出版社

代表性論文 : "信息功能材料的研究現狀和發展趨勢,王佔國,化工進展, 2004

儲層環境岩石電阻率變化規律研究,王佔國,大慶石油地質與開發, 2001

半導體薄層, 超薄層異質外延技術新進展,王佔國,,中國科學基金, 1992

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