Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光电信息功能材料研究进展,赵昶,（北京石油化工学院）,提纲,一、光电信息功能材料现代信息社会的支柱,二、光电信息功能材料研究进展,2.1,硅微电子技术发展趋势,2.2,硅基异质结构材料与光电器件,2.3,激光器材料与器件,2.4,宽带隙半导体材料和器件,2.5,纳米,(,低维,),半导体材料与量子器件,2.6,其他光电信息功能材料与器件,三、发展趋势,1,光电信息功能材料研究进展 赵昶,一、引言：,21,世纪是高度信息化的社会,超大容量信息传输、超快实时信息处理和超高密度信息存储是,21,世纪信息社会,追求的目标，发展信息功能材料是基础。,主要介绍近年来光电信息功能材料，特别是半导体微电子、光电子材料,半导体纳米结构和量子器件等的研究进展。,2,一、引言：21世纪是高度信息化的社会 超大容量信息传输、,2.1,硅微电子技术发展趋势,硅（,Si,）材料作为当前微电子技术的基础，预计到本世纪中叶都不会改变。,从提高硅集成电路（,ICs,）性能价格比来看，增大直拉硅单晶的直径，仍是今后硅单晶发展的大趋势。硅,ICs,工艺由,8,英寸向,12,英寸的过渡将在近年内完成。预计,2016,年前后，,18,英寸的硅片将投入生产。,从进一步缩小器件的特征尺寸，提高硅,ICs,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超高纯、大直径和无缺陷硅外延片会成为硅材料发展的主流。,二、光电信息功能材料研究新进展,3,2.1 硅微电子技术发展趋势二、光电信息功能材料研究新进,到,2016,年，,Si,基,CMOS,器件特征尺寸小到,30nm,硅晶片直径将达,450mm,，我国与先进国家差距约,8,年！,2001,年国际半导体技术发展路线图,关键材料和器件子专题,2016,450mm,300mm,200mm,150mm,Si,晶片,CMOS,硅单晶,4,到2016年，Si基CMOS器件特征尺寸小到30nm,根据国际半导体工业协会预测，,2016,年大多数已知的硅,CMOS,技术将接近或达到它的”极限”,这时硅,ICs,技术的特征线宽将达到,20,纳米左右,摩尔定律将受到挑战。,为此，人们在积极探索基于全新原理的量子计算、分子计算和,DNA,生物计算等同时，更寄希望于发展新材料和新技术，以求进一步提高硅基集成芯片的运算速度和功能。,2.1,硅微电子技术发展趋势,5,根据国际半导体工业协会预测，2016年大多数已知的硅,其中,寻找高,K,材料,低,K,互连材料和,Cu,引线,以及系统集成芯片,(SOC),技术,;,采用绝缘体上半导体（,SOI,）材料和,GeSi/Si,等应变硅技术等,是目前硅基,ICs,发展的另一个重要方向。,为满足人类不断增长的对更大信息量的需求，近年来在硅基光电集成和光电混合集成研究方面取得了重要进展。,2.1,硅微电子技术发展趋势,6,其中,寻找高K材料,低K互连材料和Cu引线,以及系统集,2.2,硅基高效发光研究取得突破进展,硅基光电集成一直是人们追求的目标，其中如何提高硅基材料发光效率是关键。经过长期努力，,2003,年在硅基异质结电注入高效发光和电泵激射方面的研究获得了突破性进展，这使人们看到了硅基光电集成的曙光。,另外，随着在大尺寸硅衬底上高质量,GaAs,外延薄膜的生长成功，向硅基光电混合集成方向也迈出了重要的一步！,7,2.2 硅基高效发光研究取得突破进展7,2.2,硅基高效发光研究取得突破进展,2001,年英国,Ny,等应用一种所谓“位错工程”的方法，使硅基光发射二极管（,LED,）室温量子效率提高到,0.1%,。,注入到硅中的硼离子既是,P,型掺杂剂，又可与,N,型硅形成,PN,结，同时又在硅中引入位错环；位错环形成的局域场调制硅的能带结构，使荷电载流子空间受限，,从而使硅发光二极管器件的量子效率得到了提高。,五个月后，,Green,等采用类似于高效硅太阳能电池的倒金字塔结构，利用光发射和光吸收互易的原理,又将硅基,LED,的近室温功率转换效率提高到,1%,。,8,2.2 硅基高效发光研究取得突破进展 2001年英国Ny,2002,年,STM,电子公司的科学家将稀土离子，如铒、铈等，注入到富硅的二氧化硅中（其中包含有直径为,1-2nm,的硅纳米晶），,由于量子受限效应，具有宽带隙的纳米硅抑制了非辐射复合过程发生，大大提高了量子效率。,创造了外量子效率高达,10%,的硅基发光管的世界纪录！,发光管的发光波长依赖于稀土掺杂剂的选择，如掺铒,(Er),发,1.54,微米光（标准光通信波长），掺铽（,Tb,）发绿光，掺铈（,Ce,）发蓝光。,2.2,硅基高效发光研究取得突破进展,9,2002年STM电子公司的科学家将稀土离子，如铒、铈等,2.2,硅基高效发光研究取得突破进展,哈佛大学的,Xiangfen Duan,等研制成功硅基,N-CdS/P-Si,纳米线电驱动激光器,.,N-CdS NW,被平放在,P-Si,导电衬底上,形成,N-CdS/P-Si,异质结，空穴沿着整个,NW,的长度注入，电子从,Ti/Au,电极注入。,10,2.2 硅基高效发光研究取得突破进展 哈佛大学的Xian,2.2,硅基高效发光研究取得突破进展,2001,年,Motolora,实验室利用在,Si,和,GaAs,之间加入钛酸锶柔性层，在,8,、,12,英寸,Si,衬底上淀积成功高质量的,GaAs,，引起人们关注。右下图是利用这种技术在,GaAs/Si,基片上制造的光电器件集成样品。,11,2.2 硅基高效发光研究取得突破进展 2001年Moto,2002,年日本的,Egawa,等采用,AlN/AlGaN,缓冲层和,AlN/GaN,多层结构，在,2,英寸的硅衬底上，生长出高结晶质量的、无龟裂的,InGaN,基发光管。蓝光发光管在,20,毫安时的工作电压为,4.1V,，串联电阻,30,欧姆，输出功率为蓝宝石衬底的一半。从总体来看，其特性可与蓝宝石衬底的结果相比。,硅基高效发光是硅基光电子集成的基础，一直是人们长期追求的目标，硅基高效发光器件的研制成功，为硅基光电子集成和密集波分复用光纤通信应用提供了技术基础，具有深远的影响。,2.2,硅基高效发光研究取得突破进展,12,2002年日本的Egawa等采用AlN/AlGaN 缓,2.3,量子级联激光材料与器件研究取得进展,量子级联激光器是单极性器件，原则上不受能带结构所限，是理想的中、远红外光源，在自由空间通信、红外对抗、遥控化学传感、高速调制器和无线光学连接等方面有着重要应用前景。,13,2.3 量子级联激光材料与器件研究取得进展 量子级联激,在过去的,8,年多的时间里，量子级联激光器在大功率（数瓦）、高温（室温以上）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,9.1,微米的量子级联激光器的工作温度高达,312K,，单模连续输出功率,3mW,。量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到近远红外波段（,3-70,微米）。,2.3,量子级联激光材料与器件研究取得进展,14,在过去的8年多的时间里，量子级联激光器在大功率（数瓦）,第三代（高温、宽带隙）半导体材和器件，主要指的是,III,族氮化物，碳化硅（,SiC,），氧化锌（,ZnO,）和金刚石等，它们不仅是研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件、电路的理想材料，而且,III,族氮化物和,ZnO,等还是优异的短波长光电子材料。,在通信、汽车、航空、航天、石油开采、全色大屏幕显示、全固态白光照明、超高密度光存储读写光源和海底光通信以及国防等方面有着广泛的应用前景，是目前国际高技术研发的重点领域。,2.4,宽带隙半导体材料与器件,15,第三代（高温、宽带隙）半导体材和器件，主要指的是III,半导体固态光源的广泛应用，将触发照明光源的革命！,目前,GaN,基高功率,LED,的流明效率为,50lm/,瓦（小芯片为,70lm/,瓦）的,GaN,基白光,LED,已研制成功；但体积仅为白炽灯的,1%,和功耗的,1/3,。,GaN,基高温、高功率、高频电子器件研制取得重要进展。,2003,年美国,CREE,公司研制出的,GaN HEMT,的功率密度已达到,32 W/mm,；,Fujitsu,研制出的,GaN HEMT,放大器输出功率达,174W,，电压,63V,。,2.4,宽带隙半导体材料与器件,16,半导体固态光源的广泛应用，将触发照明光源的革命！目前G,II-VI,族宽带隙半导体材料与器件,(Zn,Mg,Cd),X,(S,Se,Te),1-X,宽带隙材料研究的进展不大。,ZnO,基宽禁带半导体材料以其很高的激子激活能（,60mev,）及其在蓝紫光电子器件方面的应用前景受到关注,。,ZnO,纳米线在光泵下产生受激发射的实验结果，引起了广泛的兴趣，已成为目前研究热点之一。,氧化物半导体材料的研究，有可能开辟研制短波长发光材料的新途径。,2.4,宽带隙半导体材料与器件,17,II-VI族宽带隙半导体材料与器件(Zn,Mg,Cd),目前，除,SiC,单晶衬底材料，,GaN,基（蓝宝石衬底）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发阶段，不少影响这类材料发展的关键问题如：,高质量,GaN,单晶衬底和,ZnO,单晶及薄膜制备，单晶金刚石薄膜生长与,N,型掺杂等仍是制约这些材料走向实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今仍未取得重大突破。,2.4,宽带隙半导体材料与器件,18,目前，除SiC单晶衬底材料，GaN基（蓝宝石衬底）蓝光L,III,族氮化物窄禁带化合物主要是指,GaAs,1-x,N,x,和,Ga,1-y,In,y,As,1-x,N,x,等，具有大的带隙弯曲，直接带隙可达近红外波段；因在光通信和提高太阳电池转换效率等方面有重要的应用前景，而受到广泛的重视。,采用,InGaNAs/GaNAs,量子阱作激光器的有源区，可将工作波长移至,1.3,m,m,光通信的波段。,采用高,In,组分的,InGaNAs,在,GaAs,上形成量子点，其,PL,发光波长可长达,1.6,m,m,。,Fischer,等人还报道了,1.5,m,m,室温工作的,InGaNAs/GaAs,边沿发射激光器。,窄带隙,III,族氮化物的另一个重要的应用是用来制造长波长垂直腔面发射激光器，并取得了重要进展。,2.4,宽带隙半导体材料与器件,19,III族氮化物窄禁带化合物主要是指 GaAs1-xNx,2.5,纳米（低维）半导体材料与量子器件,纳米（低维）半导体材料，通常是指除体材料之外的二维超晶格、量子阱材料，一维量子线和零维量子点材料，是自然界不存在的人工设计、制造的新型半导体材料。,MBE,、,MOCVD,技术和微细加工技术的发展与应用，为实现纳米半导体材料生长、制备和量子器件的研制创造了条件。,目前，以,GaAs,、,InP,为代表的晶格匹配或应变补偿的超晶格、量子阱材料体系已发展得相当成熟，并成功地用于制造微电子和光电子器件与电路。,目前发展的方向是研制光电集成芯片材料和器件，以满足新一代光纤通信和智能光网络发展的需求。,20,2.5 纳米（低维）半导体材料与量子器件 纳米（低维）半,以量子点结构为有源区的量子点激光器、长波长垂直腔表面发射激光器和量子点光放大器等的研制取得了长足进步。,继,2000,年大功率,In(Ga)As/GaAs,量子点激光器的单管室温连续输出功率高达,3.6-4W,后，,2002,年在大功率亚单层量子点激光器研制方面又取得重要进展，单管室温连续输出功率高达,6W,，特征温度,150K,；器件总转换效率高于,