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一文了解半導體的歷史、應用、未來

2019-03-05
 

 

半導體發展歷史

 

1
半導體是信息化的基礎
 上個世紀半導體大規模集成電路、半導體激光器、以及各種半導體器件的發明,對現代信息技術革命起了至關重要的作用,引發了一場新的全球性產業革命。
信息化是當今世界經濟和社會發展的大趨勢,信息化水平已成為衡量一個國家和地區現代化的重要標志。  
進入21世紀,全世界都在加快信息化建設步伐。
源于信息技術革命的需要,半導體物理、材料、器件將有新的更快的發展。
集成電路的尺寸將越來越小,將出現新的量子效應器件;寬禁帶半導體代表了一個新的方向,將在短波長激光器、白光發光管、高頻大功率器件等方面有廣闊的應用;納米電子器件有可能作為下一代的半導體微電子和光電子器件;利用單電子、單光子和自旋器件作為量子調控,將在量子計算和量子通信的實用化中起關鍵作用。
2
晶體管的發明
1945年二次大戰結束時,美國貝爾實驗室總裁巴克萊為了適應該室從戰時轉向和平時期的工作需要,決定成立固體物理組,由肖克萊負責半導體物理小組,成員有巴丁、布拉頓、吉布尼、穆爾等人。
肖克萊和巴丁是理論物理學家,布拉頓是實驗物理學家,吉布尼是物理化學家,穆爾是電路學家,這種專業人才的搭配對于半導體物理研究和晶體管的發明是個黃金搭配,精干而高效。他們根據各自在30年代中期以后的經驗和后來的考慮,從剛開始成立時,就把重點放在半導體材料硅和鍺的研究上。
第二次世界大戰期間,英國用雷達偵察到了德國的轟炸機。雷達的核心就是真空電子管,它能夠將微弱電流放大。肖克萊早在1939年就準備制作能夠將電流放大的固體器件,以便取代真空電子管。1947年12月,巴丁和布拉頓制成了世界上第一個鍺點接觸型三極管,具有電流放大作用。

 

巴丁和布拉頓的結果在1948年6月發表。點接觸晶體管的發明雖然揭開了晶體管大發展的序幕,但由于它的結構復雜,性能差,體積大和難以制造等缺點,沒有得到工業界的推廣和應用,在社會上引起的反響不夠強烈。
1948年1月肖克萊在自己研究p-n結理論的基礎上發明了另一種面結型晶體管,并于1948年6月取得了專利。面結型晶體管又稱場效應晶體管,它是平面狀的(見圖3),可以通過一些平面工藝(如擴散、掩膜等)進行大規模生產。因此只有在面結型晶體管發明以后,晶體管的優越性才很好地被人認識,逐漸取代了真空電子管。 

由于巴丁、布拉頓和肖克萊在晶體管和結型晶體管發明上的貢獻,在1956年獲得了諾貝爾物理獎。作為半導體晶體管的第一個應用就是索尼公司的便攜式收音機,風靡全球,賺了大錢。
3
集成電路的發明
晶體管收音機比電子管收音機小多了,可以隨身攜帶。但它是由晶體管、電阻、電容、磁性天線焊在一塊電路板上,相互之間由導線相連。體積還比較大,裝配工藝復雜。
1958年美國政府設立了晶體管電路小型化基金,以便適應美國為趕超前蘇聯發射的第一顆人造衛星的需要。那時,德克薩斯公司的基爾比承擔了這一任務,試圖制造將晶體管、電阻器和電容器等包裝在一起的小型化電路。
1958年9月基爾比制成了世界上第一個集成電路振蕩器,這一切都記載在他當天的筆記中。基爾比發明的集成電路在1959年2月取得了專利權,名稱為“小型化電子電路”。
與此同時,美國加州菲切爾德(仙童)半導體公司的諾伊斯提出了用鋁連接晶體管的想法。在基爾比發明集成電路5個月以后,即1959年2月,他采用霍爾尼提出的平面晶體管方法,在整個硅片上生成SiO2掩膜,應用光刻技術按模板刻成窗口和引線通路,通過窗口擴散雜質,構成基極、發射極和集電極,將金或鋁蒸發,因而制成集成電路。1959年7月諾伊斯的集成電路取得了專利權,名稱為“半導體器件與引線結構”。從此集成電路走上了大規模發展的新時期。
4
太陽能電池的發明
為了人造衛星的需要,1954年皮爾森和富勒利用磷和硼的擴散技術制成了大面積的硅p-n結太陽能電池,光電轉換效率達6%以上,超過了過去最好的太陽能轉換效率的15倍。它的制作成本低廉,可以批量生產,因此很快得到了大規模的應用。
太陽能電池的工作原理是光生伏特效應。當光照射在半導體上時,在半導體中產生電子-空穴對。如果接通外電路,就會有電流通過,這就是光生伏特效應。    
太陽能電池的商業應用開始于1958年,它被選用為美國第一個人造衛星Vanguard I的無線電發射機的電源。當前能源危機下,太陽能電池作為一種再生和無污染電源引起了人們極大的注意。

 

5
半導體激光器的發明    
半導體發光管和激光器的工作原理和太陽能電池正好相反:太陽能電池是用光產生電,而發光管、激光器則用電產生光。用電流將電子和空穴分別引入半導體的導帶和價帶。電子和空穴復合,產生光子。 
1962年美國霍爾用p-n同質結制成了第一個半導體激光器。產生激光必須滿足3個條件:粒子數的反轉分布、諧振腔和電流超過一定閾值。    
1963年美國的克勒默和蘇聯的阿爾費羅夫各自獨立地制成了異質結激光器,也就是在圖8中,結區用一種禁帶寬度小的材料,如GaAs;兩邊的p區和n區用另一種禁帶寬度大的材料,如AlxGa1-xAs。這樣,發光區域被限制在窄小結區中。
因此大大提高了發光效率,降低了激光器的閾值電流。1970年蘇聯的約飛研究所和美國的貝爾實驗室分別制成了室溫下連續工作的雙異質結激光器,從而使半導體激光器在光通信中得到了廣泛的應用。
由于克勒默和阿爾費羅夫在發展半導體激光器方面的重要貢獻,他們在2000年和集成電路發明者基爾比一起獲得了諾貝爾物理獎。硅大規模集成電路和半導體激光器的發明使得世界進入了一個以微電子和光電子技術為基礎的信息時代,大大促進了社會和經濟的發展。

 

6
分子束外延技術的發明    
制造雙異質結激光器的一個關鍵技術是分子束外延。1968年貝爾實驗室的卓以和發現,在超高真空容器中通過精細控制束流的大小和時間,能夠按照需要生長不同層數、不同種類的半導體材料,因而發明了分子束外延技術。分子束外延設備的示意圖見圖11。
裝置內部處于超高真空條件下(10-10torr),蒸發爐內裝有原材料元素(如Ga、As、Al等)的源。前面是可以控制的擋板,打開擋板,將被蒸發的源原子直射至加熱的襯底上進行外延生長。目前用這種技術已經能做到單原子層的生長。裝置周圍是一些檢測儀器,用以監控生長過程。

半導體技術的應用
1
大規模集成電路和計算機    
大規模集成電路為計算機、網絡的發展打下了基礎。按照摩爾定律,集成電路的集成度以每18個月翻一番的速度發展,最近它的線度已達到幾十納米(毫米、微米、納米),每一個芯片上包含了上百億個元件。
計算機科學已經發展到很高水平,無論是計算機的硬件還是軟件都已十分成熟,每秒萬億次甚至更高速度的計算機(天河:2000萬億次,世界第二)都已問世,這為各種高速運算、海量信息處理和轉換提供了有力的工具。  
自從1943年計算機誕生以來,由于集成電路的發明,計算機向著高運算速度、體積小型化方向飛速發展。目前世界主要發達國家和中國都已擁有百萬億次以上浮點運算的大型計算機。中國制造和擁有這種超級計算機的數量在世界上據第二位,僅次于美國。
這種超級計算機能用于分析蛋白質、開發新藥等,在軍事上可用于模擬核爆炸、解密碼等。需要說明的是制造這種計算機所需的大規模集成電路中國還很落后,大部分還需進口。
2
光通信技術    
以前長距離通信靠長途電話或電報。因為通話數目少,價錢很貴。1966年英國標準通信實驗室的高錕(K. C. Kao)提出用無雜質高透明度的玻璃纖維傳輸激光信號。如果它的損耗能低到20分貝/公里,則就能實現長距離光通信。

 

1970年紐約康寧玻璃廠的毛瑞爾(R. D. Maurer)等用“淀積工藝”將四氯化硅蒸氣經過火焰水解,制成密實的玻璃管,再加熱后通過模子拉制成細的玻璃纖維。低損耗的玻璃纖維的誕生是光通信技術的里程碑進展。

 

   

1976年美國貝爾實驗室在亞特蘭大進行了第一次光通信實地實驗,取得了很好的效果。光纖的平均功率損耗為6分貝/公里,無差錯傳輸信息超過10.9公里,相當于通過光纖環路17周。1976年12月貝爾實驗室宣布:光波通信通過了它的首次檢驗,光波通信的可能性已經得到證明。從此宣告了光通信時代的來臨,并預示著微電子時代向光電子時代的序幕正式揭開了。    
今天,電信網絡、計算機網絡和有線電視網絡已經成為一個國家重要基礎設施,所有政治、經濟、軍事、科技活動以至人們日常生活時刻都離不開這三網。我國現有電話用戶8億5千萬,其中移動手機用戶4億8千萬,是世界上最大的電信網絡。計算機上網用戶已達1.37億,有線電視用戶達1.3億,占世界三分之一。    
將來的趨勢是三網合一。現在的手機上網已經很普遍了,這方面美國的蘋果公司走在了前面。   
光有不同的顏色和波長。不是所有顏色的光都能在光纖中傳播。 
光纖的損耗分別在1450-1550nm和1250-1350nm處具有最低值和次低值,因此是光纖通信的2個主要窗口。為了讓一根光纖能傳播盡量多的信息通道,采用了波分復用的光通信系統,就是把這2個波段劃分成很窄的波長,每個波長形成一定的通信容量。將不同波長的信號通過一根光纖傳至對方,再經過解復用,由光檢測器恢復原來以不同波長傳遞的電信號。由于光信號在傳遞中會逐步衰減,為了達到長距離傳輸的目的,每隔一定距離需要通過摻鉺光纖放大器將其信號放大。
3
無線通信技術(手機)    
無線通信的基礎是蜂窩式移動電話,它的早期制式是貝爾實驗室在1978年推出的“先進移動電話服務”系統(AMPS)。該系統是將服務的區域分成許多小的六角形的地理區域(cell),就像蜂窩一樣(見圖19)。每個小區內有低功率的無線電話發射器、接收器和一個控制系統,形成一個基站。
各服務區的基站通過光纖連接到中央交換實體(移動電話局),該實體裝有電子交換系統。基站網絡追蹤移動終端的位置,當移動終端到達另一小區時能自動與鄰近的基站重建聯系,以便繼續通話。由于小區內的無線通話功率低,只影響限定的范圍,因而與別的小區的通信信號不會產生干擾。

 

    

 

第一個AMPS系統在1979年7月在芝加哥試驗成功。1992年4月,AT&T公司微電子集團宣布制成新一代數字蜂窩電話的集成電路芯片,使該公司成為移動通信數字信號處理元件的領先供應者。這種數字信號處理器構成DSP1600系列,它使手機的體積和功率大大減小,在市場上大受用戶歡迎。
    
除了手機通信以外,還有其它的無線通信手段(見圖20),包括:衛星傳輸高清晰度電視、衛星間通訊、多點視頻通訊、無線局域網、交通工具之間的通訊、以及防撞雷達等。它們的工作頻率在微波波段,從幾個GHz到100GHz。

 

 

各種無線通信及其工作頻率。波段從微米到毫米波段,頻率為20-80 GHz。

    
無線通訊中最關鍵的器件是半導體高頻振蕩器件,目前有2種:高電子遷移率晶體管(HEMT)和異質結雙極晶體管(HBT)。它們實際上就是典型的三極管,但由于利用分子束外延技術,n-p-n每一層都可以做得很薄,縮小了電子運動的路徑,具有高的截止頻率fT。目前這兩種器件的截止頻率都已達到了100GHz以上,滿足了無線通信的需要。

 

npn型雙極晶體管截面圖

4
半導體太陽電池——太陽電池用硅材料    
太陽電池用硅材料主要包括:直拉硅單晶、非晶硅、帶狀硅和薄膜多晶硅,這些材料在實驗室和產業中制成的太陽電池的效率如圖22。 
目前鑄造多晶硅占太陽能電池材料的47.54%,是最主要的太陽電池材料。到2004年,鑄造多晶硅的市場份額已經超過53%。直拉單晶硅占35.17%,占據第二位,而非晶硅薄膜占8.3%,位于第三位,而化合物半導體CuInSe和CdTe僅占0.6%。

不同的半導體材料在實驗室和產業中制成的太陽電池效率

5
半導體太陽電池——多晶硅太陽電池    
直到上世紀90年代,太陽能光伏工業還是主要建立在硅單晶的基礎上。雖然硅單晶電池的成本在不斷下降,但是和常規電力相比還是缺乏競爭力,因此,不斷降低成本是光伏界追求的目標。
自上世紀80年代鑄造多晶硅 的發明和應用以來,增長迅速。它以相對低成本、高效率的優勢不斷擠占單晶硅的市場,成為最有競爭力的太陽電池材料,到本世紀初,已占到50%以上,已經成為最主要的太陽電池材料。

鑄造多晶硅硅片的表面光學照片

    
到目前為止,鑄造多晶硅的晶錠重量已經達到300 kg,太陽電池片的尺寸達到210×210 mm2。到本世紀初,多晶硅太陽電池的效率達到20.3%。在實際生產中,鑄造多晶硅太陽電池的最高效率也達到17.7%左右,接近直拉硅單晶太陽電池的光電轉換效率。
6
半導體太陽電池——非晶硅薄膜太陽電池    
今日非晶硅薄膜太陽電池已發展成為實用廉價的太陽電池品種之一,具有相當的工業規模。世界上非晶硅太陽電池的總組件生產能力達到每年50MW以上,組件及相關產品的銷售額在10億美元以上。應用范圍小到手表、計算器電源,大到10MW級的獨立電站,對太陽能光伏的發展起了重要的推動作用。    
和晶體硅相比,非晶硅薄膜具有制備工藝簡單、成本低和可大面積連續生產的優點。在太陽電池領域,其優點具體表現為:  
(1)材料和制造工藝成本低。這是因為非晶硅薄膜太陽電池是制備在廉價的襯底材料上,如玻璃、不銹鋼、塑料等,其價格低廉;而且,非晶硅薄膜僅有數千埃厚度,不足晶體硅電池厚度的百分之一,這也大大降低了硅原材料的成本;進一步而言,非晶硅制備是在低溫進行,其沉積溫度為100℃~300℃,顯然,規模生產的能耗小,可以大幅度降低成本。  
(2)易于形成大規模生產能力。
(3)多品種和多用途。  
(4)易實現柔性電池。非晶硅可以制備在柔性的襯底上,而且它的硅網結構力學性能特殊,因此,它可以制備成輕型、柔性太陽電池,易于和建筑集成,以及各種日常用品。
   
但是,和晶體硅相比,非晶硅太陽電池的效率相對較低,在實驗室電池的穩定的最高轉換效率只有16%左右;在實際生產線上,效率不超過10%;而且,非晶硅太陽電池的光電轉化效率在太陽光的長期照射下有嚴重地衰減,到目前為止仍然沒有根本解決。    
另外,還有軍事和衛星用的化合物太陽能疊層電池。
7
半導體白光照明
?1.發展半導體白光照明意義   
 氮化鎵發光管(LED)是一種高效長壽命的固態照明光源。白熾燈、熒光燈是目前面廣量大的傳統白光照明光源。白熾燈是一種熱光(色溫2800K),含有大量的紅外線,工作壽命短,發光效率低,而熒光燈則是一種冷光,高效率,但壽命短,有毒(含汞)。與傳統的白熾燈和熒光燈相比,氮化鎵發光管是一種具有體積小、重量輕、電壓低、效率高、壽命長等特點的固態照明冷光源,因此是一種節能、綠色照明光源。    
氮化鎵LED目前已經用在許多場合:景觀燈、交通燈、汽車尾燈、大屏幕顯示燈。
    
能源是經濟、社會可持續發展不可缺少的要素,節約能源、提高能效是可持續發展能源的重大戰略。據統計,全世界“照明”耗能約占總電功率的20%。由于LED高效發光,LED白光照明可節省大量的發電煤和原油使用量,全球每年可減少25億噸CO2排放量。
因此,氮化鎵LED白光照明具有巨大的市場前景,將來成本和效率問題解決以后,可代替目前廣泛使用的白熾燈和熒光燈,引發一次白光照明技術革命。國際上把半導體照明光源中期目標(5-10年內)定為>100 lm/W,2020年達到200 lm/W或300 lm/W,這樣就可替代傳統照明。
?2.氮化鎵LED白光照明的技術途徑    
眾所周知,由紅(Red)、綠(Green)、藍(Blue)三基色可合成白光,如圖24所示。該圖為1931色度圖,三角形中央虛線區為白光區。氮化鎵LED一般只能發出一種顏色的光。白光照明也要通過RGB三基色的合成來實現。RGB三基色可以直接靠LED發射三基色光,也可用LED去激發熒光物質,通過二次光轉換獲得三基色光或準三基色光。

  

所以,實現氮化鎵LED白光照明有兩種技術途徑:一種是利用氮化鎵發光二極管(LED)去激發熒光物質轉換成白光,可稱作為“二次光轉換白光技術”;另一種是利用LED直接發射白光,可稱作為“直接發射白光技術”。
?3. LED白光照明技術發展方向
(1)研究發展近紫外、深紫外LED器件,實現高顯色指數的“固體白光熒光燈”。這種白光技術具有顯色指數高(CRI>90)、轉換效率高(外量子效率43%),色彩重現性高等特點,是一種較理想的白光源。
(2)研究發展III族氮化物LED直接發射白光技術
(3)研究提高LED發光效率、光通量,發展功率型LED其器件
傳統白熾燈發光效率為16 lm/W,熒光燈發光效率為85 lm/W,因此,Ⅲ族氮化物LED白光照明光源要替代白熾燈和熒光燈,其發光效率至少要超過100 lm/W,同時要降低成本。
8
光盤存儲和激光測距、激光打印、激光儀器
光盤存儲和激光測距、激光打印、激光儀器等是半導體激光器的另一重大應用領域。CD盤(只讀聲盤)、DVD(數值可視盤)所用的激光器波長分別為780nm和670nm、650nm,由激光器將信息“寫”入光盤或者從光盤上“讀”出聲音或光信號。激光器的波長越短,光盤存儲密度就越高。波長為410nm的InGaN激光器可以將光盤的存儲量再提高一大步。波長為670-630nm的InGaAlP激光器已在許多場合取代了He-Ne激光器,在激光測距、激光打印、激光醫療儀器中得到了重要的應用。
9
半導體激光器的軍事應用    
波長為808nm的AlGaAs大功率激光器是大功率YAG(摻釔鋁石榴石)固體激光器的泵浦光源,代替了原來的氙氣激光器,取消了龐大的電源和冷卻系統,使固體激光器變得高效率、小體積、高性能、長壽命、低成本,適合于軍事應用,例如激光雷達和核爆炸模擬、核聚變研究。水下光傳播的窗口為590nm,藍綠光激光器的誕生為水下通信開了綠燈。火箭、飛機飛行過程中掌握方向的光纖陀螺中最關鍵的器件是半導體超輻射發光二極管。
10
環境保護    
大自然中,水汽、甲烷、氨氣、二氧化碳、一氧化碳、鹽酸、溴酸、硫化氫等氣體的靈敏吸收峰在1.5-2.0mm范圍。InAsSb或GaInAsSb應變量子阱激光器的波長可達1.0-4.0mm范圍,近年來出現的量子級聯激光器的波長可達4.0-17mm。這些覆蓋了紅外-遠紅外范圍的各類激光,構成了大氣監控、監測的環保衛士。
半導體技術的未來發展
1
信息技術的革命    
信息傳輸。信息量的爆炸式的增加,對信息通道的容量要求越來越大。在網上傳遞的不僅是文字、而且還有音樂、圖像、電視信號等;不僅是有線,還需要無線;不僅是洲際、國際、城際,而且需要局域網。為此需要發展新的通信系統,如綜合業務數字網絡(ISDN)以及多媒體技術等。
信息處理,包括文本處理、知識處理、圖像處理以及語言識別、圖像識別、智能化處理等。人工智能就是通過計算機實現了某些人的智能。例如:理解和發出語言、識別圖像、作數學證明、下棋、音樂作曲、進行專業鑒定、醫學診斷等。計算機將把人們從一部分日常的腦力勞動中解放出來,并且通過應用“思維工具”把人們的智慧擴大到以前不可想象的程度。
2
更高的集成度    
世界集成電路主流工藝將經過:2007年的65納米(集成電路線寬)、2010年的45納米、2013年的33納米、以及2016年的22納米工業化生產的4個發展階段。為此,就必須解決一系列的關鍵技術和專用設備,如:新型器件的研發(非傳統CMOS器件、新型存儲器、邏輯器件等),IC設計、封裝、和測試技術,新型光刻機、刻蝕機等配套設備等。    
半導體器件的尺寸不能無限制地減小,如果器件尺寸小到電子的德波羅依波長(10納米),量子效應將會更加明顯,這時需要設計建立在量子力學原理基礎上的新型半導體器件。
3
半導體光電器件
半導體光電器件向更長和更短波長、更大功率、更高工作頻率的方向發展   
大功率激光器列陣分準連續(QCW)器件與連續(CW)器件,它們除了作固體激光器的泵浦源外,還可直接用作材料加工、醫療、儀器、敏感技術、印刷制版等,進入傳統中由非半導體激光器主宰的市場,代替氣體、固體激光器。AlGaN/GaN異質結雙極晶體管具有線性好、電流容量大、閾值電流均勻等優點,主要應用在線性度要求高、工作環境苛刻的大功率微波系統中,如軍用雷達、通信等;還可應用于在苛刻環境下工作的智能機器人等系統中。
4
集成光學和集成光電子學    
由集成在半導體薄膜上的激光器、調制器、波導、光柵、棱鏡和其它無源光學元件構成的系統叫做集成光學系統。集成光學系統用光互連代替電互連,在計算機和通信系統中具有通帶寬、信息量大、損耗小、速度快、能并行處理、抗電磁干擾等優點。硅材料的成本低廉、工藝成熟,在微電子器件中得到廣泛應用。但是由于它是間接帶隙材料,不能作發光器件。目前科學家們正在解決光源的問題,以便在硅材料上做到光電集成。
5
半導體超晶格和量子線、量子點器件

半導體超晶格、量子線、量子點是低維結構,它們具有一些特殊的物理性質,如量子限制效應和電子運動的二維或一維特性,可以制成一些性能優異的器件,如:激光器、高電子遷移率器件、光雙穩器件、共振隧穿器件等。當器件的尺寸、維度進一步減小,使得電子運動的平均自由程大于器件的尺寸時,電子在運動過程中將不受雜質、晶格振動等的散射,而作一種相干波運動。

利用這些特點預計可制造出超高速、超低電能的電子器件。例如量子點單電子晶體管將使動態隨機存儲器(DRAM)的功耗大大降低。
6
半導體量子信息器件
目前的工藝已經能在半導體量子點上產生和探測單個光子,使得半導體量子點成為實現量子信息處理(量子計算、量子通信)最有希望的固體器件。量子信息科學技術的迅速發展,為精密測量、量子計算和保密通訊等領域都提供了全新的革命性的理論和實驗方法。量子信息最關鍵的是利用光子的相干性。
光子作為量子理論中最基本的量子化實體,能夠很容易地實現收集、傳遞、復制、存儲和處理信息的全過程,具有作為量子通訊、量子計算載體的獨特的先天優勢。因此基于光子過程的量子信息處理器件是各種量子信息工程的基礎,它的基本原理研究和制備必將為計算科學和通訊能力帶來飛越式的發展。
7
自旋電子器件   
目前微電子器件是應用載流子電荷攜帶信息。如果一種材料能同時利用載流子的電荷和自旋屬性作為信息的載體,將可以制造出具有非揮發、低功耗、高速和高集成度的優點的器件,甚至有可能引起電子信息科學重大的變革。摻磁性離子的稀磁半導體及自旋電子學(Spintronics)即應此要求而生。

實驗發現,半導體中自旋相干時間已經達到ns量級,遠遠超過電荷的相干時間,預示著自旋電子學在未來量子計算和量子通信中的重要應用前景。實現自旋為基的量子計算機的主要困難是精確控制和保持自旋相干,因此如何產生自旋相干電子態,以及減小自旋退相干有許多物理問題需要研究和解決。



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