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　　最近，收到一个《信息科学10000个科学难题》的征稿启事，其中写道：“'10000个科学难题'项目是一项功在当代利在千秋的公益性事业，其目的在于提出问题，倡导潜心做学问，十年磨一剑。”在这以前已经出版了数学、物理、化学等基础科学的10000个科学难题，收到很好效果，产生很大的影响。收到这个征稿启事，我想到半导体微电子学的第一个难题是10年以后摩尔定律还成不成立？摩尔定律以后的微电子学将如何发展？我想现在这个问题谁也回答不了，包括英特公司的总裁。回答只能是三个字：“走着瞧”。       

　　夏建白院士及已出版的《半导体微纳电子学》

　　20世纪半导体微电子技术的发展改变了整个世界，使工业化社会变成了信息化社会，大大提高了生产力，促进了人类物质和精神文明的发展。正因为半导体微电子技术的重要性，各国政府和各跨国公司都投巨资进行开发研究，试图有所突破，在整个信息技术的发展上能处于领先地位。国际上这方面的研究从20世纪90年代开始，延续了20多年，取得了许多重要的进展。至少目前集成电路和随机存储器仍按照摩尔定律往前发展，当然难度越来越大，成本越来越高。在集成电路的尺度由100nm向10nm发展过程中，电子的运动已经不完全是经典的，需要考虑量子修正。这些量子效应其实在20世纪80年代半导体超晶格提出和发展时就已经观察到了，如共振隧穿和超晶格纵向输运。由于分子束外延技术的发展，当时就能生长厚度为10nm，甚至更薄的单晶质量完好的量子阱和势垒层，因此在生长方向上的输运主要受量子力学规律控制。由于电子束刻蚀技术的发展，20世纪90年代，在二维电子气上已经能用刻蚀方法制造极细的金属电极，电极上加负压后形成小量子点。在研究小量子点和细回路的输运时，提出了兰道公式和Büttiker公式。用刻蚀方法还可以在量子阱材料的纵的方向上刻蚀出一个孤立柱，中间的阱就形成了量子点。这种量子点类似于一个人造原子，实验证明其中的电子和在原子中一样，按壳层填充。在未来的电子回路中，由于回路长度小于电子的平均自由程，因此其中电子运动基本不受散射，电子的运动遵从量子力学，类似于光在波导中的传播。在前面提到的兰道公式和Büttiker公式中，引进了透射率和反射率的概念，用来描述电子的这种波导性质的运动。但如何计算某一具体结构和回路的透射率和反射率，需要发展一定的方法。本书介绍了一维和二维的量子波导理论，用于计算任意形状的一维和二维回路的透射率和反射率。21世纪由于自旋电子学的发展，人们希望利用固体中电子自旋的固有特性作为信息的载体，用来制造量子计算机。半导体中的自旋轨道耦合产生的Rashba相互作用，使得有可能利用这种相互作用产生自旋极化电流。本书还介绍了Rashba电子的一维量子波导理论。作为应用，目前最有希望实现的是单电子晶体管和单电子存储器，并对这两方面目前国际上取得的进展分别作了介绍。另外，则是对目前通用的小尺度器件的模拟方法作了一个简单的介绍。

　　由于国防和经济发展的需要，我们国家一直重视半导体微电子科学技术，设立了国家重大专项和“973”、“863”等项目。为了尽快地赶上国际先进水平，掌握具有自主知识产权的先进设计和技术，根据国际的经验，我觉得以下两方面的工作需要加强：1、加强基础研究。不少项目都是针对某一项工艺、设备或者一个具体器件，在完成任务的过程中，对一些基础问题研究不够，因此缺少自己的核心技术，缺少后继发展的动力。2、注意器件的集成，这是微电子科学技术的关键。如果单个器件的性能再好，不能集成，也是没有用的。目前，碳纳米管场效应管，甚至碳片（graphene）场效应管都已经研制出来，性能还超过通常的硅场效应管，但是瓶颈在于它们不能集成，无法应用。本书介绍的单电子晶体管和单电子存储器都是尽量利用现有的半导体工艺，与现有的集成电路兼容，这才是今后微电子科学技术发展的主要方向。

　　我是研究半导体物理的，做理论研究的，写这本书的目的是想起一个抛砖引玉的作用，对我国微电子科学技术的发展和人才培养起一点促进作用。许多方面我都是外行，书中可能有不少外行话，请真正的内行专家们指正。说起来，最开始引导我进入这一领域的是我的导师黄昆先生。大家心目中对黄昆先生来半导体所以后的工作主要是黄－朱模型，超晶格的声子模。其实，黄昆先生在其他方面也是非常敏感的，高瞻远瞩的。他提出，我们合作做了一维超晶格的子能带和光跃迁（半导体学报，8，563（1987））、电场下量子阱的子能带和光跃迁（物理学报，37，1（1988））、在平行磁场下超晶格磁能级的半经典和包络函数处理（Phys. Rev. B42， 11884 (1990)）等工作，这些在当时国际上都是较早涉及的领域。在超晶格纵向输运方面，他提出，我们合作做了电场下超晶格子带的Wannier量子化工作（J. Phys. C3， 4639 (1991)），这方面内容也写入了本书，作为对黄昆先生的纪念。

　　最后，我要感谢中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室，我在这个实验室工作和生活了30多年（包括实验室成立前的几年）。这里，有我的导师、同事和学生，我向他们学习了许多，在此向他们表示感谢。