新型光電子材料課件

光電信息功能材料研究進(jìn)展

提綱一、光電信息功能材料－現(xiàn)代信息社會(huì)的支柱二、光電信息功能材料研究進(jìn)展2.1

硅微電子技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)2.2硅基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料與光電器件2.3

激光器材料與器件2.4寬帶隙半導(dǎo)體材料和器件2.5納米(低維)半導(dǎo)體材料與量子器件2.6其他光電信息功能材料與器件三、發(fā)展趨勢(shì)1/17/20231一、引言：21世紀(jì)是高度信息化的社會(huì)

超大容量信息傳輸、超快實(shí)時(shí)信息處理和超高密度信息存儲(chǔ)是21世紀(jì)信息社會(huì)追求的目標(biāo)，發(fā)展信息功能材料是基礎(chǔ)。

主要介紹近年來(lái)光電信息功能材料，特別是半導(dǎo)體微電子、光電子材料,半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)和量子器件等的研究進(jìn)展。1/17/20232

2.1硅微電子技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)硅（Si）材料作為當(dāng)前微電子技術(shù)的基礎(chǔ)，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)中葉都不會(huì)改變。

從提高硅集成電路（ICs）性能價(jià)格比來(lái)看，增大直拉硅單晶的直徑，仍是今后硅單晶發(fā)展的大趨勢(shì)。硅ICs工藝由8英寸向12英寸的過(guò)渡將在近年內(nèi)完成。預(yù)計(jì)2016年前后，18英寸的硅片將投入生產(chǎn)。從進(jìn)一步縮小器件的特征尺寸，提高硅ICs的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的超高純、大直徑和無(wú)缺陷硅外延片會(huì)成為硅材料發(fā)展的主流。二、光電信息功能材料研究新進(jìn)展1/17/20233

根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，2016年大多數(shù)已知的硅CMOS技術(shù)將接近或達(dá)到它的”極限”,這時(shí)硅ICs技術(shù)的特征線(xiàn)寬將達(dá)到20納米左右,摩爾定律將受到挑戰(zhàn)。

為此，人們?cè)诜e極探索基于全新原理的量子計(jì)算、分子計(jì)算和DNA生物計(jì)算等同時(shí)，更寄希望于發(fā)展新材料和新技術(shù)，以求進(jìn)一步提高硅基集成芯片的運(yùn)算速度和功能。

2.1硅微電子技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)1/17/20235其中,尋找高K材料,低K互連材料和Cu引線(xiàn),以及系統(tǒng)集成芯片(SOC)技術(shù);采用絕緣體上半導(dǎo)體（SOI）材料和GeSi/Si等應(yīng)變硅技術(shù)等,是目前硅基ICs發(fā)展的另一個(gè)重要方向。

為滿(mǎn)足人類(lèi)不斷增長(zhǎng)的對(duì)更大信息量的需求，近年來(lái)在硅基光電集成和光電混合集成研究方面取得了重要進(jìn)展。2.1硅微電子技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)1/17/20236

2.2硅基高效發(fā)光研究取得突破進(jìn)展

硅基光電集成一直是人們追求的目標(biāo)，其中如何提高硅基材料發(fā)光效率是關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期努力，2003年在硅基異質(zhì)結(jié)電注入高效發(fā)光和電泵激射方面的研究獲得了突破性進(jìn)展，這使人們看到了硅基光電集成的曙光。

另外，隨著在大尺寸硅襯底上高質(zhì)量GaAs外延薄膜的生長(zhǎng)成功，向硅基光電混合集成方向也邁出了重要的一步！1/17/20237

2002年STM電子公司的科學(xué)家將稀土離子，如鉺、鈰等，注入到富硅的二氧化硅中（其中包含有直徑為1-2nm的硅納米晶），由于量子受限效應(yīng)，具有寬帶隙的納米硅抑制了非輻射復(fù)合過(guò)程發(fā)生，大大提高了量子效率。創(chuàng)造了外量子效率高達(dá)10%的硅基發(fā)光管的世界紀(jì)錄！

發(fā)光管的發(fā)光波長(zhǎng)依賴(lài)于稀土摻雜劑的選擇，如摻鉺(Er)發(fā)1.54微米光（標(biāo)準(zhǔn)光通信波長(zhǎng)），摻鋱（Tb）發(fā)綠光，摻鈰（Ce）發(fā)藍(lán)光。2.2硅基高效發(fā)光研究取得突破進(jìn)展1/17/202392.2硅基高效發(fā)光研究取得突破進(jìn)展

哈佛大學(xué)的XiangfenDuan等研制成功硅基N-CdS/P-Si納米線(xiàn)電驅(qū)動(dòng)激光器.N-CdSNW被平放在P-Si導(dǎo)電襯底上,形成N-CdS/P-Si異質(zhì)結(jié)，空穴沿著整個(gè)NW的長(zhǎng)度注入，電子從Ti/Au電極注入。1/17/2023102.2硅基高效發(fā)光研究取得突破進(jìn)展2001年Motolora實(shí)驗(yàn)室利用在Si和GaAs之間加入鈦酸鍶柔性層，在8、12英寸Si襯底上淀積成功高質(zhì)量的GaAs，引起人們關(guān)注。右下圖是利用這種技術(shù)在GaAs/Si基片上制造的光電器件集成樣品。1/17/202311

2.3量子級(jí)聯(lián)激光材料與器件研究取得進(jìn)展

量子級(jí)聯(lián)激光器是單極性器件，原則上不受能帶結(jié)構(gòu)所限，是理想的中、遠(yuǎn)紅外光源，在自由空間通信、紅外對(duì)抗、遙控化學(xué)傳感、高速調(diào)制器和無(wú)線(xiàn)光學(xué)連接等方面有著重要應(yīng)用前景。1/17/202313

在過(guò)去的8年多的時(shí)間里，量子級(jí)聯(lián)激光器在大功率（數(shù)瓦）、高溫（室溫以上）和單膜工作等研究方面取得了顯著的進(jìn)展。

2001年瑞士Neuchatel大學(xué)的科學(xué)家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)使波長(zhǎng)為9.1微米的量子級(jí)聯(lián)激光器的工作溫度高達(dá)312K，單模連續(xù)輸出功率3mW。量子級(jí)聯(lián)激光器的工作波長(zhǎng)已覆蓋近紅外到近遠(yuǎn)紅外波段（3-70微米）。2.3量子級(jí)聯(lián)激光材料與器件研究取得進(jìn)展1/17/202314

第三代（高溫、寬帶隙）半導(dǎo)體材和器件，主要指的是III族氮化物，碳化硅（SiC），氧化鋅（ZnO）和金剛石等，它們不僅是研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件、電路的理想材料，而且III族氮化物和ZnO等還是優(yōu)異的短波長(zhǎng)光電子材料。

在通信、汽車(chē)、航空、航天、石油開(kāi)采、全色大屏幕顯示、全固態(tài)白光照明、超高密度光存儲(chǔ)讀寫(xiě)光源和海底光通信以及國(guó)防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，是目前國(guó)際高技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域。

2.4寬帶隙半導(dǎo)體材料與器件1/17/202315

II-VI族寬帶隙半導(dǎo)體材料與器件(Zn,Mg,Cd)X(S,Se,Te)1-X寬帶隙材料研究的進(jìn)展不大。

ZnO基寬禁帶半導(dǎo)體材料以其很高的激子激活能（60mev）及其在藍(lán)紫光電子器件方面的應(yīng)用前景受到關(guān)注。ZnO納米線(xiàn)在光泵下產(chǎn)生受激發(fā)射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引起了廣泛的興趣，已成為目前研究熱點(diǎn)之一。

氧化物半導(dǎo)體材料的研究，有可能開(kāi)辟研制短波長(zhǎng)發(fā)光材料的新途徑。2.4寬帶隙半導(dǎo)體材料與器件1/17/202317

目前，除SiC單晶襯底材料，GaN基（藍(lán)寶石襯底）藍(lán)光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導(dǎo)體材料仍處在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，不少影響這類(lèi)材料發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題如：高質(zhì)量GaN單晶襯底和ZnO單晶及薄膜制備，單晶金剛石薄膜生長(zhǎng)與N型摻雜等仍是制約這些材料走向?qū)嵱没年P(guān)鍵問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外雖已做了大量的研究，至今仍未取得重大突破。2.4寬帶隙半導(dǎo)體材料與器件1/17/202318

III族氮化物窄禁帶化合物主要是指GaAs1-xNx和Ga1-yInyAs1-xNx等，具有大的帶隙彎曲，直接帶隙可達(dá)近紅外波段；因在光通信和提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率等方面有重要的應(yīng)用前景，而受到廣泛的重視。

采用InGaNAs/GaNAs量子阱作激光器的有源區(qū)，可將工作波長(zhǎng)移至1.3mm光通信的波段。

采用高In組分的InGaNAs在GaAs上形成量子點(diǎn)，其PL發(fā)光波長(zhǎng)可長(zhǎng)達(dá)1.6mm。Fischer等人還報(bào)道了1.5mm室溫工作的InGaNAs/GaAs邊沿發(fā)射激光器。窄帶隙III族氮化物的另一個(gè)重要的應(yīng)用是用來(lái)制造長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器，并取得了重要進(jìn)展。2.4寬帶隙半導(dǎo)體材料與器件1/17/202319

以量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)為有源區(qū)的量子點(diǎn)激光器、長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔表面發(fā)射激光器和量子點(diǎn)光放大器等的研制取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。

繼2000年大功率In(Ga)As/GaAs量子點(diǎn)激光器的單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)3.6-4W后，2002年在大功率亞單層量子點(diǎn)激光器研制方面又取得重要進(jìn)展，單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)6W，特征溫度150K；器件總轉(zhuǎn)換效率高于50%。美國(guó)量子點(diǎn)器件公司聲稱(chēng)，10年后量子點(diǎn)器件有望替代現(xiàn)有的量子阱器件，市場(chǎng)潛力巨大。

2.5納米半導(dǎo)體材料與量子器件1/17/202321

基于量子點(diǎn)的單光子光源和它特有的長(zhǎng)消相干時(shí)間，有望在量子計(jì)算、量子密碼通信方面獲得應(yīng)用。

普渡大學(xué)的研究人員，應(yīng)用線(xiàn)寬為50nm的EB光刻技術(shù)使兩個(gè)量子點(diǎn)連接起來(lái)，每個(gè)QD的直徑為180nm,可容納20-40個(gè)電子。通過(guò)控制每個(gè)QD中電子的數(shù)目和探測(cè)相關(guān)電子的自旋，可作為量子計(jì)算機(jī)的基元。2.5納米半導(dǎo)體材料與量子器件1/17/202322高度有序的半導(dǎo)體量子線(xiàn)的制備難度較大，過(guò)去的二年里，量子線(xiàn)的生長(zhǎng)制備和性質(zhì)研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。半導(dǎo)體量子線(xiàn)可用應(yīng)變自組裝方法，VLS方法，在圖形化襯底上和通過(guò)精細(xì)加工的方法等獲得。

半導(dǎo)體納米線(xiàn)、帶是一個(gè)理想的材料體系，可以用來(lái)研究載流子維度受限的輸運(yùn)現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。半導(dǎo)體量子線(xiàn)材料和器件2.5納米半導(dǎo)體材料與量子器件1/17/202323

喬治亞理工大學(xué)王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，基于無(wú)催化劑、控制生長(zhǎng)條件的氧化物粉末的熱蒸發(fā)技術(shù)，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導(dǎo)體氧化物納米帶。這些原生的納米帶呈現(xiàn)出高純、結(jié)構(gòu)均勻和單晶體，幾乎無(wú)缺陷和位錯(cuò)；納米線(xiàn)呈矩形截面，典型的寬度為20-300nm，寬厚比為5-10，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)毫米。

香港城市大學(xué)李述湯教授和瑞典隆德大學(xué)固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，分別在SiO2/Si和InAs/InP量子線(xiàn)超晶格結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制備方面也取得了重要進(jìn)展。

半導(dǎo)體氧化物納米線(xiàn)（帶）研究取得進(jìn)展2.5納米半導(dǎo)體材料與量子器件1/17/202325多種納米線(xiàn)、納米帶材料例舉（一）2.5納米半導(dǎo)體材料與量子器件1/17/202326多種納米線(xiàn)、納米帶材料例舉（二）2.5納米半導(dǎo)體材料與量子器件1/17/202327

金納米液滴分布在氧化硅上面，用V-L-S方法，通過(guò)變換氣相成分，生長(zhǎng)Ⅲ-Ⅴ和Ⅳ超晶格。如GaAs/GaP納米線(xiàn)超晶格，GaAs是直接帶隙，而GaP是間接帶隙；在GaAs/GaP超晶格結(jié)構(gòu)中，GaAs發(fā)光，GaP不發(fā)光，如圖所示。這種結(jié)構(gòu)可以用作納米條型碼，也可以制成納米PN結(jié)和LED,在超靈敏生物和化學(xué)檢測(cè)和高集成邏輯門(mén)電路方面得到應(yīng)用。

2.5納米半導(dǎo)體材料與量子器件1/17/202329

加洲大學(xué)伯克利的Johnson等利用鎳催化劑和V-L-S方法，通過(guò)金屬鎵和氨在900C藍(lán)寶石襯底上直接反應(yīng)，合成了直徑在幾十到幾百納米之間，長(zhǎng)達(dá)數(shù)十微米的GaN納米量子線(xiàn)。

四倍頻光參量放大器（波長(zhǎng)290-400nm，平均功率5-10mW）用作泵浦激光器,在被泵的單個(gè)GaN單晶納米線(xiàn)（直徑約300納米，長(zhǎng)約40微米）的兩端觀察到了藍(lán)、紫激光發(fā)射。

激射波長(zhǎng)隨泵浦功率增加的紅移，支持高溫下電子-空穴等離子體是GaN主要的激射機(jī)制觀點(diǎn)。2.5納米半導(dǎo)體材料與量子器件1/17/202330

2001年美國(guó)加州大學(xué)的PeidongYang等研制成功ZnO納米線(xiàn)紫外激光器。

單晶ZnO納米線(xiàn)結(jié)構(gòu)是在鍍金的藍(lán)寶石襯底上，以金作為催化劑，沿垂直于襯底方向生長(zhǎng)出來(lái)的。納米線(xiàn)長(zhǎng)2-10微米，直徑為20-150納米。ZnO納米線(xiàn)和襯底之間的界面形成激光共振腔的一個(gè)鏡面，納米線(xiàn)的另一端的六方理想解理面為另一個(gè)鏡面。在266納米光的激發(fā)下，由納米線(xiàn)陣列發(fā)出波長(zhǎng)在370-400納米的激光。單個(gè)納米線(xiàn)激射也曾觀察到。

ZnO納米線(xiàn)光泵激射現(xiàn)象，是香港科技大學(xué)湯子康教授等首先觀察到的。2.5納米半導(dǎo)體材料與量子器件1/17/202331ZnO納米線(xiàn)室溫光泵受激發(fā)射2.5半導(dǎo)體量子線(xiàn)、量子點(diǎn)材料與器件1/17/202332半導(dǎo)體NWs晶體管：催化合成直徑可控的P-SiNWs，并將其懸浮在溶液中，用定向流動(dòng)的方法使其在選定的襯底上形成定向排列的NWs單層，NWs的間距為500-1000nm可控，后用通常的光刻方法制成S和D，襯底Si作柵。5mm5mm5mm1/17/202333將光子和電子的能帶工程相結(jié)合，用高折射率差的二微光子晶體形成的微諧振腔，研制成功面發(fā)射量子級(jí)連激光器。通過(guò)改變二維光子晶體晶格常數(shù)來(lái)改變激光發(fā)射譜。1/17/2023341/17/2023352.6其它信息功能材料與器件研究進(jìn)展信息存儲(chǔ)材料和器件：

磁記錄材料仍是目前最重要的存儲(chǔ)材料，預(yù)計(jì)到2006年左右，磁性材料中磁記錄單元的尺寸將達(dá)到其記錄狀態(tài)的物理極限（100Gb/in2）。

應(yīng)用光存儲(chǔ)技術(shù)，其存儲(chǔ)密度可隨光波波長(zhǎng)的變短而得到成倍的增長(zhǎng)，但光存儲(chǔ)技術(shù)的面密度也已接近光學(xué)衍射極限。

探索尋找可實(shí)用的海量光存儲(chǔ)新材料和發(fā)展諸如三維光存儲(chǔ)技術(shù)、全息光存儲(chǔ)技術(shù)和近場(chǎng)光存儲(chǔ)等是目前的主攻方向。1/17/2023362.6其它信息功能材料與器件研究進(jìn)展

平板顯示器件:

因其具有薄型化、高清晰度、低功耗和應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，已成為顯示器件發(fā)展的主流方向和現(xiàn)今信息社會(huì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。

有機(jī)發(fā)光材料以其特有的低廉成本和良好的柔性，在平板顯示技術(shù)中占有舉足輕重的地位。目前有機(jī)電致發(fā)光材料LED的發(fā)光效率已達(dá)20lm/w,綠色磷光二極管的發(fā)光效率可達(dá)60-70lm/W，工作壽命超過(guò)20000小時(shí)，并有24英寸彩屏研制成功的報(bào)道，商業(yè)化前景看好。

提高有機(jī)發(fā)光材料的穩(wěn)定性、紅光和藍(lán)光的色純度以及發(fā)光亮度等是目前的主要研發(fā)方向。1/17/202337

三、發(fā)展趨勢(shì)、建議和討論3.1信息功能材料發(fā)展趨勢(shì)

信息載體:

由電子-光子、電子結(jié)合-光子方向發(fā)展。開(kāi)發(fā)利用電子的自旋，光子的偏振、位相等屬性和波函數(shù)工程與量子態(tài)調(diào)控等。

信息功能材料：

由體材料-薄層、超薄層微結(jié)構(gòu)材料-集材料、器件、電路為一體的功能集成芯片材料-有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料-無(wú)機(jī)/有機(jī)/生命體復(fù)合和納米結(jié)構(gòu)材料和量子器件方向發(fā)展。1/17/202338

信息功能材料體系：

由同質(zhì)外延-晶格匹配、小失配和應(yīng)變補(bǔ)償異質(zhì)外延-大失配異質(zhì)外延材料體系發(fā)展。伴隨著材料向低維結(jié)構(gòu)和大失配異質(zhì)外延材料體系發(fā)展，系統(tǒng)也將實(shí)現(xiàn)從均勻向非均勻和由線(xiàn)性向非線(xiàn)性以及由平衡態(tài)向非平衡態(tài)的過(guò)渡。3.2信息功能材料基礎(chǔ)研究重點(diǎn)建議討論（