無機(jī)材料物理化學(xué)第8章.ppt

無機(jī)材料物理與化學(xué),在半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)中，把價(jià)帶頂取作能量零點(diǎn)，能量零點(diǎn)以下稱為價(jià)帶，能量零點(diǎn)以上稱為導(dǎo)帶。在導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂之間的間隙則稱為禁帶。其寬度稱為禁帶寬度，用Eg表示。E-K能帶結(jié)構(gòu)中波矢K是一個(gè)矢量，構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的三維空間。在畫能帶結(jié)構(gòu)圖時(shí)，人們往往只畫出K空間的、X、L等幾個(gè)重要方向上能量E的變化。、X和L分別為K空間的零點(diǎn)、100方向上的邊界點(diǎn)和111方向上的邊界點(diǎn)。多數(shù)半導(dǎo)體的價(jià)帶頂都位于點(diǎn)，當(dāng)其導(dǎo)帶底也位于點(diǎn)時(shí)，這種半導(dǎo)體被稱為直接帶隙半導(dǎo)體，如果導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂不在同一點(diǎn)，就稱為間接帶隙半導(dǎo)體。例如GaAs是直接帶隙半導(dǎo)體，Si是間接帶隙半導(dǎo)體。,Si的能帶結(jié)構(gòu)(a)和GaAs的能帶結(jié)構(gòu)(b),2.1.1PN結(jié)PN結(jié)是半導(dǎo)體器件的最基本的結(jié)構(gòu)要素。將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體相互接觸即可形成PN結(jié)。下面我們以硅為例說明P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的概念。硅有4個(gè)價(jià)電子，能與鄰近的4個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵。這些電子在原子核的作用下處于束縛狀態(tài)，但在一定的外場(chǎng)作用下會(huì)掙脫束縛成為自由電子，形成電子載流子。電子載流子的移動(dòng)會(huì)在原來位置形成空穴，并形成空穴載流子。因此，硅半導(dǎo)體中存在電子和空穴兩種載流子。不過常溫下硅中的載流子較少，硅半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的控制要靠摻雜來解決。人們把摻入磷、砷、銻等V族施主元素雜質(zhì)形成的電子導(dǎo)電型半導(dǎo)體，稱為N型半導(dǎo)體；把摻入硼、鎵、銦等III族受主元素雜質(zhì)形成的空穴導(dǎo)電型半導(dǎo)體，稱為P型半導(dǎo)體。將PN結(jié)適當(dāng)組合，即可制成晶體管、可控硅管和集成電路（IC）。PN結(jié)的重要特性是具有整流作用，即電流只能沿著某一個(gè)方向流動(dòng)（見圖2.1）。,圖2.1半導(dǎo)體PN結(jié)示意圖,半導(dǎo)體的兩種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(a)P型半導(dǎo)體及其導(dǎo)電機(jī)構(gòu);N型半導(dǎo)體及其導(dǎo)電機(jī)構(gòu),實(shí)際使用的半導(dǎo)體器件和電路都是用不同特性的N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體相互連接制成的。圖2.2（a）是N型和P型半導(dǎo)體的能帶圖。圖中Ec和Ev分別為導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴分別用黑點(diǎn)和小圓圈來表示。EF為費(fèi)米能級(jí)。圖2.2（b）為成結(jié)后在熱平衡狀態(tài)下的能帶圖。在熱平衡狀態(tài)下，N區(qū)的多數(shù)載流子電子和P區(qū)的多數(shù)載流子空穴分別向P區(qū)和N區(qū)擴(kuò)散，形成擴(kuò)散電流A。另一方面，由于N區(qū)中的電子向P區(qū)擴(kuò)散，就留下了帶正電的電離施主中心，形成一個(gè)帶正電荷的區(qū)域。同樣，由于P區(qū)中的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，留下了帶負(fù)電的電離受主中心，形成一個(gè)帶負(fù)電荷的區(qū)域。于是在交界處兩側(cè)形成了帶正負(fù)電荷的區(qū)域，稱為空間電荷區(qū)。這一區(qū)域已無載流子存在，故又稱為耗盡層?？臻g電荷區(qū)的正負(fù)電荷會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由N區(qū)指向P區(qū)的自建電場(chǎng)。自建電場(chǎng)會(huì)使電子從P區(qū)向N區(qū)漂移，使空穴從N區(qū)向P區(qū)漂移。從而形成與擴(kuò)散電流A的方向相反的漂移電流B。當(dāng)這兩股電流A和B處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，就無電流流過。這時(shí)，耗盡層內(nèi)的空間電荷產(chǎn)生了接觸電勢(shì)差（也稱為擴(kuò)散電勢(shì)差）B。在PN結(jié)上加上正向偏壓，即P區(qū)加上正電壓VF,P、N之間的電勢(shì)差T(T=B-VF)降低，熱平衡狀態(tài)被破壞，由多數(shù)載流子（即電子）形成的擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，如圖2.2(c)所示。正向偏壓越大，該電勢(shì)差越小，其結(jié)果是使電流指數(shù)式地增加。與此相反，當(dāng)P區(qū)上加上負(fù)電壓VR時(shí),電勢(shì)差T變大(T=B+VR),多數(shù)載流子難以擴(kuò)散，幾乎無電流流動(dòng)，如圖2.2(d)所示。這就是PN結(jié)的整流效應(yīng)。,圖2.2半導(dǎo)體PN結(jié)能帶圖,2.1.2PN結(jié)型晶體管晶體管是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。盡管晶體管種類繁多，制造工藝多種多樣，用途和功能五花八門，但晶體管的基本結(jié)構(gòu)卻是簡(jiǎn)單而共同的。PN結(jié)型晶體管的內(nèi)部都有兩個(gè)PN結(jié)。主要分為兩種，即PNP型和NPN型。晶體管的兩個(gè)PN結(jié)共有三個(gè)區(qū)。對(duì)應(yīng)三個(gè)區(qū)的引出線，分別稱為發(fā)射極、基極和集電極。發(fā)射極和基極之間的PN結(jié)叫發(fā)射結(jié)，集電極和基極之間的PN結(jié)叫集電結(jié)（見圖2.3）。圖2.3PNP型和NPN型晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào),如圖2.4所示，如果我們?cè)诎l(fā)射極電路中施加一直流電源電壓VEB并保持其不變，在該電路中串接一個(gè)待放大的交變信號(hào)電壓Vs,并且在集電極電路中串接一個(gè)電阻R的話，當(dāng)集電極電流的變化部分iC流過集電極電路中的電阻R時(shí)，就會(huì)在上面產(chǎn)生一個(gè)交變電壓iCR。盡管iC略小于iE，只要電阻R的值比較大，就可以使iCR比信號(hào)電壓Vs大很多倍。這表明，晶體管具有放大功能。實(shí)際上半導(dǎo)體收音機(jī)就是用晶體管放大信號(hào)的。圖2.4晶體管共基極電路放大原理圖晶體管放大電路除了上述共基極電路外，還有共發(fā)射極電路和共集電極電路。,2.1.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）JFET共有四個(gè)電極，其中，在P型半導(dǎo)體（N型時(shí)情況相似）兩端各有一個(gè)稱為“源”和“漏”的電極；P型半導(dǎo)體兩側(cè)則各有一個(gè)N型區(qū)和相應(yīng)的稱為“柵”的電極。如果在源和漏之間加上一個(gè)電壓,源接電壓正端，漏接負(fù)端，P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子空穴傳導(dǎo)的電流就會(huì)在源與漏之間通過；在柵和源間加上反向電壓VG,柵接電壓正端，源接負(fù)端，因此沒有電流通過柵和源之間的PN結(jié)。當(dāng)加大柵與源之間的反向電壓VG時(shí)，兩個(gè)PN結(jié)的耗盡層就會(huì)向P型區(qū)擴(kuò)散，使從源到漏的電流通道變細(xì)，該電流通道的電阻就會(huì)隨之增大，導(dǎo)致源與漏之間的電流ID減小。若減小反向電壓VG，ID就會(huì)增大。若在柵與源之間附加一個(gè)輸入信號(hào)電壓，工作電流就會(huì)隨著信號(hào)電壓變化，在串接的負(fù)載電阻上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)放大了的輸出信號(hào)電壓。這就是場(chǎng)效應(yīng)晶體管的放大原理。如果在柵與源之間附加適當(dāng)?shù)暮龃蠛鲂〉碾妷?，使得從源到漏的電流通道忽通忽斷，漏極輸出電流也就會(huì)時(shí)有時(shí)無，在這種情況下，場(chǎng)效應(yīng)晶體管就等效于一個(gè)電流開關(guān)圖2.5結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)工作原理圖,2.1.4金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）MOSFET是在JFET的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是構(gòu)成集成電路的主要器件。其結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。圖2.6MOS晶體管結(jié)構(gòu)示意圖在絕緣柵極上不加電壓時(shí)，即使在源與漏之間加有電壓，流過的電流也是非常小的（因?yàn)橛蒒+區(qū)和P型硅片構(gòu)成的兩個(gè)PN結(jié)中總有一個(gè)被加上反向電壓）。如果我們?cè)诮^緣柵極上施加一個(gè)適當(dāng)程度的正電壓，所形成的垂直電場(chǎng)就能把半導(dǎo)體表層的空穴全部驅(qū)至半導(dǎo)體表層下面。此時(shí)若繼續(xù)增大電場(chǎng)強(qiáng)度，半導(dǎo)體中的電子就會(huì)在電場(chǎng)的吸引下移至表面層，這樣在二氧化硅絕緣層下的源與漏之間，就會(huì)形成一個(gè)N型的電流通道。這種電流通道被稱為溝道，電流可以從源經(jīng)過N型溝道流至漏。因此柵極上所加電壓的大小可用來控制漏電流的大小。,2.2.1硅材料硅是地殼外層含量?jī)H次于氧的元素，約占地殼的25%。主要以氧化物和硅酸鹽的形式存在。由于儲(chǔ)量非常豐富，硅原料是半導(dǎo)體原料中最便宜的。與鍺相比較，硅有很多重要優(yōu)點(diǎn)。硅的禁帶寬度為1.1eV,鍺只有0.72eV。因此，鍺器件的最高工作溫度只有85C,而硅可以達(dá)到200C。故在功率器件的研究中硅明顯優(yōu)于鍺。硅的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是能在高溫下氧化生成二氧化硅薄膜。這種二氧化硅薄膜可以用作為雜質(zhì)擴(kuò)散的掩護(hù)膜，從而能和光刻、擴(kuò)散等工藝結(jié)合起來制成各種結(jié)構(gòu)的器件和電路。而且氧化硅層又是一種性能很好的絕緣體，在集成電路制造中可以用它作為電路互連的載體。氧化硅膜還是一種很好的保護(hù)膜，它能防止器件工作時(shí)受周圍環(huán)境影響而導(dǎo)致性能退化。硅的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，硅的受主和施主雜質(zhì)有幾乎相同的擴(kuò)散系數(shù)，這就為硅器件和電路的工藝制作提供了更大的自由度。硅材料的這些優(yōu)點(diǎn)促成了平面工藝的發(fā)展，簡(jiǎn)化了工藝程序，降低了制造成本，改善了可靠性，并大大提高了集成度，使超大規(guī)模集成電路得到了迅猛的發(fā)展。,第3章半導(dǎo)體激光器材料激光的特點(diǎn)及發(fā)光原理激光的特點(diǎn)方向性好、亮度高、能量集中，可在微米大小圓斑內(nèi)產(chǎn)生幾萬乃至幾百萬攝氏度的高溫；單色性好，譜線寬度小；相干性好，即相干長(zhǎng)度很長(zhǎng)，是普通光束的數(shù)十至數(shù)百倍；傳遞信息的容量大強(qiáng)激光與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，會(huì)引起倍頻、和頻、差頻等許多新的物理效應(yīng)激光的特點(diǎn)是由發(fā)光機(jī)制決定的。普通光源的發(fā)光機(jī)制主要是自發(fā)輻射從激光器中射出的激光主要由受激輻射產(chǎn)生,當(dāng)頻率為f的光子作用在具有相同能級(jí)的原子系統(tǒng)時(shí)，將發(fā)生兩個(gè)不同作用：當(dāng)光子與已處于高能級(jí)的激發(fā)原子作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生受激輻射，光子增殖；當(dāng)光子與低能級(jí)原子作用時(shí)，低能級(jí)原子被激發(fā)到高能級(jí)，入射光子被吸收，光子數(shù)減少。因此，當(dāng)光子射入原子系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)使光子增殖還是減少，完全取決于該原子系統(tǒng)處于高能態(tài)與低能態(tài)原子的比率。若以N1和N2分別表示系統(tǒng)中處于低能態(tài)和高能態(tài)的原子數(shù)，則當(dāng)N1N2，光被吸收；反之，N1EF，則只會(huì)產(chǎn)生受激吸收，電子從價(jià)帶中被填滿的能級(jí)跳到導(dǎo)帶中空的能級(jí)上去；若hEF,則電子只能從導(dǎo)帶中填滿的能級(jí)躍遷到價(jià)帶頂部未被電子占據(jù)的能級(jí),產(chǎn)生受激輻射。因此，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是由于外加正向電壓后的少子注入而在pn結(jié)區(qū)形成的。在半導(dǎo)體激光器中，把形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的這一區(qū)域稱為激活區(qū)。,圖3-2半導(dǎo)體中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),（2）共振腔的形成半導(dǎo)體的共振腔是利用上述激活區(qū)的波導(dǎo)特性和半導(dǎo)體材料的解理面制成的。激活區(qū)的載流子濃度比周圍區(qū)域的高，故其折射率也高于周圍區(qū)域。因此，激活區(qū)相當(dāng)于一個(gè)能把光束約束在內(nèi)的波導(dǎo)層。設(shè)波導(dǎo)層二維平面y、z兩個(gè)方向互相垂直，如果我們用半導(dǎo)體材料的解理面作為z方向的兩個(gè)端面，并且將y方向的兩個(gè)端面打毛，那么激活層沿y方向傳播的光就會(huì)透過端面出射，沿z方向傳播的光則會(huì)被端面反射回來，形成共振。故在激活層的z方向構(gòu)成了一個(gè)諧振腔（圖3-3）。,圖3-3共振腔波導(dǎo)的形成,（3）激勵(lì)源半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)源為直流或交流驅(qū)動(dòng)電源。驅(qū)動(dòng)電源只需產(chǎn)生幾百毫瓦的輸出功率即可使半導(dǎo)體產(chǎn)生激光發(fā)射。,3.1.2異質(zhì)結(jié)激光器Pn結(jié)激光器中，p型和n型半導(dǎo)體采用的是同一種半導(dǎo)體材料，只是摻入的雜質(zhì)種類不同而已。這種結(jié)稱為同質(zhì)結(jié)。同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)雖然能產(chǎn)生激光，但存在工作偏壓高、光損耗大、在室溫下只能以脈沖方式運(yùn)轉(zhuǎn)等缺點(diǎn)。由兩種不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的結(jié)稱為半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。構(gòu)成半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的兩種半導(dǎo)體雖然不同，但它們的晶格常數(shù)相差必須?。ㄒ话阈∮?%），即它們的晶格必須匹配。這是因?yàn)?，晶格失配?huì)在兩種半導(dǎo)體材料的交界面形成能使發(fā)光淬滅的深能級(jí)。異質(zhì)結(jié)激光器主要有發(fā)光效率高和光波導(dǎo)性能好等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)光效率高是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的注入效率高；光波導(dǎo)性能好是因?yàn)?，激活層可以做得很薄，而且禁帶較窄的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的激活層（發(fā)光層）的折射率明顯高于夾在其兩側(cè)的寬禁帶半導(dǎo)體材料（以雙異質(zhì)結(jié)為例）的折射率。雙異質(zhì)結(jié)激光器可在室溫實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。,3.1.3量子阱激光器異質(zhì)結(jié)厚度僅為1-10nm的異質(zhì)結(jié)激光器稱為量子阱激光器。可用電子平均自由程來描述電子運(yùn)動(dòng)的自由程度，電子在自由程內(nèi)的運(yùn)動(dòng)不會(huì)受到任何干擾（例如碰撞等）。半導(dǎo)體同質(zhì)結(jié)的激活區(qū)厚度大約是1m，與這個(gè)自由程大致相當(dāng)。異質(zhì)結(jié)的激活區(qū)厚度比同質(zhì)結(jié)的窄得多，一般在0.1-0.4m之間,因此電子在這個(gè)較窄的區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)受到了一定程度的約束,但這種約束還不夠強(qiáng)烈.當(dāng)異質(zhì)結(jié)厚度進(jìn)一步減小至1-10nm后,激活區(qū)寬度已經(jīng)與電子的量子波長(zhǎng)相當(dāng)甚至更小。這時(shí)激活區(qū)里的電子就像掉在一個(gè)陷阱里似的，其運(yùn)動(dòng)受到強(qiáng)烈約束，導(dǎo)致電子和空穴在導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)哪芰繝顟B(tài)出現(xiàn)不連續(xù)分布，這種陷阱在量子力學(xué)中稱為阱，故又稱為量子阱。用這種量子阱結(jié)構(gòu)制成的半導(dǎo)體激光器就是量子阱激光器。量子阱激光器的優(yōu)點(diǎn)是閾值電流僅為異質(zhì)結(jié)激光器的四分之一，因此有利于光集成化和制作大功率半導(dǎo)體激光器，并且它的光束質(zhì)量好，有利于提高光通信的質(zhì)量。,3.2藍(lán)光半導(dǎo)體激光器材料GaN是最引人注目的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器材料,它具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，Eg=3.4eV,可與AlN,InN形成帶隙連續(xù)可變的固溶體。AlGaN是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，主要用作與GaN的準(zhǔn)晶格匹配的異質(zhì)結(jié)。InGaN的帶隙則對(duì)應(yīng)于綠光、藍(lán)光和紫光范圍，故適于制作發(fā)射這些短波長(zhǎng)激光的半導(dǎo)體激光器的有源層。因此基于GaN的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器是近幾年來的研究熱點(diǎn)。GaN基材料雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但人們?cè)趯⑵浒l(fā)展成GaN激光器的過程中，曾遇到過不少困難。其中最大的困難有兩個(gè)，一是缺乏晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)與GaN匹配的襯底材料，二是難以實(shí)現(xiàn)高P型摻雜。80年代后期，人們先后用在藍(lán)寶石或SiC襯底材料上引入過渡層的方法和對(duì)高阻GaN材料進(jìn)行低能電子輻射的方法解決了這兩個(gè)問題。在此基礎(chǔ)上，日本日亞公司在1993年率先研制成功輸出功率為1mW的InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)藍(lán)色發(fā)光二極管，稍后該公司又開發(fā)出輸出功率為5mW的單量子阱藍(lán)色發(fā)光二極管。1995年日本名古屋大學(xué)采用以藍(lán)寶石和SiC為襯底材料的InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)藍(lán)色發(fā)光二極管，首次在低溫下實(shí)現(xiàn)了藍(lán)光受激發(fā)射。這些成果的取得為實(shí)用化藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。,1996年，日本日亞公司終于研制成功能在室溫下運(yùn)行的InGaN多量子阱藍(lán)光半導(dǎo)體激光器。這種半導(dǎo)體激光器以(001)方向C面藍(lán)寶石為襯底，以低溫生長(zhǎng)的GaN為緩沖層。該激光器的膜層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，共有61層。其中52層是2.5nm厚的In0.2Ga0.8N量子阱與5nm厚的In0.05Ga0.95N勢(shì)壘層交替生長(zhǎng)構(gòu)成的26對(duì)量子阱周期有源區(qū),用MOCVD法生長(zhǎng)。后來，該公司又在1997年用Si摻雜的InGaN量子阱作為發(fā)光層，減小了由電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)，提高了器件的壽命。,經(jīng)過持續(xù)不斷的努力，日亞公司終于在1998年初制備成功實(shí)用化的藍(lán)光（417nm）InGaN多量子阱激光器，輸出激光功率50mW,外推室溫壽命可達(dá)1萬小時(shí)。目前InGaN多量子阱藍(lán)光激光器已經(jīng)商品化，由于它是下一代藍(lán)光高密度DVD光盤系統(tǒng)的核心部件之一，故在光信息存儲(chǔ)領(lǐng)域?qū)?huì)有很好的應(yīng)用前景。,3.8中遠(yuǎn)紅外波段(4-17m)半導(dǎo)體激光器材料半導(dǎo)體激光器材料經(jīng)歷了同質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、量子阱結(jié)構(gòu)材料和應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展歷程。人們用這些半導(dǎo)體激光材料制成了藍(lán)光、紅光、近紅外波段和2-3m中紅外波段的各種半導(dǎo)體激光器。然而，信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)材料和器件又提出了新的需求，要求提供工作于5-14m中遠(yuǎn)紅外波段的半導(dǎo)體激光器材料和器件。令人遺憾的是，自然界缺少理想的中遠(yuǎn)紅外波段半導(dǎo)體激光材料。已有的各種半導(dǎo)體激光器，不論是同質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器、異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器還是量子阱激光器，這類pn結(jié)激光器的激射機(jī)理都是建立在電子和空穴這兩種載流子輻射復(fù)合產(chǎn)生光子的基礎(chǔ)上，其激射波長(zhǎng)取決于半導(dǎo)體材料的帶隙。,自上一世紀(jì)70年代初起，為了開發(fā)合適的中遠(yuǎn)紅外波段半導(dǎo)體激光材料，有人開始嘗試突破半導(dǎo)體激光器傳統(tǒng)的激射機(jī)理，提出了一系列新的概念。其中最著名的是1971年提出的只有一種載流子參加的光助隧穿的新思想、1986年和1988年先后提出的隧穿電子在有源區(qū)阱內(nèi)導(dǎo)帶子帶躍遷共振發(fā)光的思想和用三阱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)紅外發(fā)光的建議。在這些思想或建議的啟發(fā)下，經(jīng)過多年努力，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室終于在1994年率先研制成功全世界第一只量子級(jí)聯(lián)激光器。該激光器工作波長(zhǎng)為4.3m，采用由分子束外延技術(shù)生長(zhǎng)的三阱耦合InAlAs/InGaAs/InP材料，這種三阱耦合結(jié)構(gòu)由大約500層超薄外延層構(gòu)成，最薄的外延層厚度僅為0.8nm。量子級(jí)聯(lián)激光器的激射機(jī)理與傳統(tǒng)的同質(zhì)結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的完全不同。傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的激射波長(zhǎng)取決于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，而量子級(jí)聯(lián)激光器的激射波長(zhǎng)與半導(dǎo)體材料的禁帶寬度完全無關(guān)，它取決于量子阱導(dǎo)帶子能級(jí)激發(fā)態(tài)和基態(tài)的能量差，這種能量差又由有源層量子阱寬度決定。,早期的三阱耦合InAlAs/InGaAs/InP量子級(jí)聯(lián)激光器的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)由25級(jí)構(gòu)成，每一級(jí)都由有源層和數(shù)字合金層兩個(gè)部分構(gòu)成。這25級(jí)有源層被夾在作為波導(dǎo)層的兩層AlInAs厚層中間，整個(gè)材料結(jié)構(gòu)共有500多層。有源層由三個(gè)厚度分別為0.8nm、3.5nm和2.8nm的InGaAs耦合量子阱構(gòu)成，它們之間用厚度分別為3.5nm和3nm的InAlAs勢(shì)壘隔離(見圖3.4)。數(shù)字合金層為n型摻雜半導(dǎo)體，其作用是弛豫來自有源層的電子的能量并為下一級(jí)注入電子。整個(gè)有源區(qū)實(shí)際上是一個(gè)4能級(jí)激光系統(tǒng)。由于從能級(jí)n=3到n=2的躍遷在實(shí)空間是斜角的，這種激光器被稱為基于斜角躍遷的量子級(jí)聯(lián)激光器。發(fā)射波長(zhǎng)為4.3m,峰值功率可達(dá)幾十毫瓦，工作溫度約為100K。圖3.4基于斜角躍遷的量子級(jí)聯(lián)激光器的能帶結(jié)構(gòu)示意圖,基于斜角躍遷的量子級(jí)聯(lián)激光器存在峰值增益低和閾值電流高的缺點(diǎn)，不能以連續(xù)波輸出，只能在低溫工作。因此，人們又設(shè)計(jì)制作了基于垂直躍遷的量子級(jí)聯(lián)激光器。其特點(diǎn)是輻射躍遷發(fā)生在同一量子阱中，以垂直方式進(jìn)行。為了阻止電子逃逸，數(shù)字合金層的每一對(duì)勢(shì)阱與勢(shì)壘都需滿足Bragg反射條件。有源區(qū)由兩個(gè)相互耦合的厚度分別為4.5nm和3.6nm的GaInAs勢(shì)阱構(gòu)成，中間用寬度為2.8nm的AlInAs勢(shì)壘隔開(見圖3.5)。這種結(jié)構(gòu)顯著降低了閾值電流，使峰值功率得以大幅度提高。這種激光器采用熱阻比AlInAs小得多的InP作為波導(dǎo)層，這種改進(jìn)使得激光器能以連續(xù)波輸出。圖3.5基于垂直躍遷的量子級(jí)聯(lián)激光器的部分導(dǎo)帶圖,4.4CCD芯片材料就像CD、DVD那樣，CCD也是我們近年來經(jīng)常能聽到的一個(gè)新名詞。然而，大多數(shù)人僅限于知道CCD是一種攝像機(jī)，很少有人清楚地了解CCD的確切含義和工作機(jī)理。CCD是英文ChargeCoupledDevice的縮寫，中文譯名是電荷耦合器件。CCD的基本組成部分是一種金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)電容結(jié)構(gòu)（順便指出，普通平行板電容器是金屬-絕緣體-金屬（MIM）結(jié)構(gòu)）。若在MIS電容器上施加一個(gè)正向電壓，MIS電容器金屬板（接電源正極）上正電荷分布與普通MIM的相同，半導(dǎo)體（接電源負(fù)極）中的自由載流子（數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于金屬中的電子）則分布在從絕緣體/半導(dǎo)體界面處半導(dǎo)體的表面開始往半導(dǎo)體內(nèi)部延伸一定厚度形成的空間電荷區(qū)內(nèi)。該空間電荷區(qū)對(duì)電場(chǎng)起屏蔽作用，電場(chǎng)由界面至半導(dǎo)體內(nèi)部逐漸減小，在空間電荷區(qū)邊界幾乎被全部屏蔽。,可見光CCD的基本電容結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體是硅基材料，絕緣體則是硅的氧化物，故可見光CCD的基本組成部分稱為金屬-氧化物-硅（MOS）電容。在熱平衡狀態(tài)下，當(dāng)絕緣體與半導(dǎo)體界面和絕緣體的總有效電荷為正電荷（界面因晶格不連續(xù)出現(xiàn)的局域化電子能級(jí)會(huì)帶有一定電荷，絕緣體也可能有電荷存在）時(shí)，P型硅的能帶結(jié)構(gòu)在絕緣體/半導(dǎo)體界面附近會(huì)向下彎曲，彎曲深度即上述空間電荷區(qū)（又稱為耗盡層）的寬度。如果上述有效正電荷密度更大（例如外加電壓），該能帶在界面處的彎曲就更大，這會(huì)在界面附近的一個(gè)薄層內(nèi)形成一個(gè)N型導(dǎo)電的反型層，N型層和半導(dǎo)體內(nèi)的P型層之間仍為耗盡層，N型層和此時(shí)的耗盡層厚度之和，即為外加電壓前的耗盡層厚度。,如果對(duì)半導(dǎo)體為P型硅的MOS電容施加一個(gè)正向電壓Vp(即金屬接正極，半導(dǎo)體底板接負(fù)極)，當(dāng)Vp剛加到MOS電容器的瞬間，在介電馳豫時(shí)間（約10-12秒）內(nèi)，電極上即會(huì)感應(yīng)生成電荷，這時(shí)P型半導(dǎo)體的多子（空穴）能跟得上這個(gè)變化，被電場(chǎng)驅(qū)向半導(dǎo)體體內(nèi)，使界面處的半導(dǎo)體表層中留下了數(shù)量與被趕走的空穴相等的負(fù)的受主離子，而少子（電子）在介電馳豫時(shí)間內(nèi)沒有變化。因此半導(dǎo)體在界面附近的彎曲變得很深，在近界面形成了一個(gè)強(qiáng)反型層。但由于這時(shí)候還沒有產(chǎn)生電子，該強(qiáng)反型層實(shí)際上是一個(gè)電子勢(shì)阱。而且這是一個(gè)非平衡狀態(tài)。隨后，界面和半導(dǎo)體體內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其中空穴被電場(chǎng)趕入半導(dǎo)體體內(nèi)，電子則在電場(chǎng)作用下進(jìn)入勢(shì)阱。使該處的能帶抬高，最后恢復(fù)到熱平衡狀態(tài)。從非平衡的建立至達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間（也就是熱激發(fā)所產(chǎn)生的電子填滿勢(shì)阱所需的時(shí)間）稱為存儲(chǔ)時(shí)間T（幾秒到幾十秒）。CCD主要的工作基礎(chǔ)就是非平衡狀態(tài)。在這個(gè)狀態(tài)下，勢(shì)阱可用來儲(chǔ)留信號(hào)，也可以用來使信號(hào)電荷從一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到相鄰的另一個(gè)勢(shì)阱。,CCD主要包括三個(gè)部分：(1)信號(hào)輸入?yún)^(qū)；(2)信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移區(qū)；(3)信號(hào)輸出區(qū)（見圖4.1）。信號(hào)輸入分兩種方式：電注入和光注入。電注入輸入?yún)^(qū)由一個(gè)輸入二極管和一個(gè)或幾個(gè)輸入柵（MOS電容的金屬層）構(gòu)成。該單元通過對(duì)輸入柵施加適當(dāng)電壓在絕緣體/半導(dǎo)體界面的半導(dǎo)體表面形成作為輸入信號(hào)通道的耗盡層，圖4.1CCD芯片結(jié)構(gòu)示意圖輸入信號(hào)電荷可從輸入二極管通過該通道進(jìn)入信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移部分。信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移區(qū)由一連串緊密排列的MOS電容器構(gòu)成，通過對(duì)各轉(zhuǎn)移柵（各MOS電容器的金屬層）施加大小不同的電壓，使轉(zhuǎn)移前方轉(zhuǎn)移柵電極下的勢(shì)阱深度越來越深，信號(hào)電荷就會(huì)不斷地向前運(yùn)動(dòng)。施加在緊靠輸入柵的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵上的電壓高于施加在輸入柵上的電壓，故第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵電極下的勢(shì)阱比輸入柵電極下的勢(shì)阱深，在輸入柵下耗盡層的電荷因此即可進(jìn)入第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵電極下的勢(shì)阱，然后沿著轉(zhuǎn)移區(qū)越來越深的勢(shì)阱通道向輸出部分轉(zhuǎn)移。信號(hào)輸出區(qū)則由浮置擴(kuò)散放大器(FDA)和輸出柵等組成。來自最后一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的電荷，通過輸出柵下的勢(shì)阱通道，到達(dá)FDA，F(xiàn)DA能將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大后輸出。,用于攝像的CCD必須采用光注入方式。光注入時(shí)輸入二極管被光敏元件（例如光電導(dǎo)體、MOS電容器、pn結(jié)光電二極管或肖特基勢(shì)壘光電二極管等）取代。攝像時(shí)光照射到光敏元件的光敏面上，光敏材料（參見4.3節(jié)光學(xué)傳感材料）吸收光子后產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。多子（空穴）被驅(qū)出耗盡區(qū)后，通過襯底接地而消失，少子（電子）則被勢(shì)阱收集成為信號(hào)電荷。實(shí)際的CCD攝像器件的光敏區(qū)都是由光敏元面陣構(gòu)成的。,按光譜分類，CCD可分為可見光CCD、紅外CCD、X射線CCD和紫外光CCD等?？梢姽釩CD還可細(xì)分為黑白CCD、彩色CCD和微光CCD三類。彩色CCD攝像機(jī)按照所用CCD的片數(shù)分為三片式、二片式和單片式三種。根據(jù)CCD片數(shù)的多少，采用分光系統(tǒng)和濾色膜將所攝景物照射到CCD上。微光（夜視）CCD則是在微光攝影系統(tǒng)的物鏡與目鏡之間放置增強(qiáng)型CCD（ICCD）或時(shí)間延遲積分型CDD(TDICCD)。ICCD有兩種工作方式，一種是采用GaAs等III-V族半導(dǎo)體材料構(gòu)成的光電陰極增強(qiáng)信號(hào)，然后用光導(dǎo)纖維束錐將增強(qiáng)信號(hào)耦合到CCD的光敏面上；另一種是將CCD攝像器件集成到攝像管的真空中作為攝像器的陽極，當(dāng)入射光子被打到光電陰極上后變成光電子，光電子被加速并聚焦在面陣CCD芯片上。TDICCD則適于在低溫下工作，它利用增加光積分時(shí)間來提高信號(hào)的載噪比。紅外CCD則是用前一節(jié)所述的紅外焦平面陣列(IRFPA)取代可見光CCD的光敏元部分后構(gòu)成的。X射線CCD有兩種，一種是直接用微光CCD攝取軟X射線目標(biāo)圖像；另一種采用帶隔離層的碘化銫晶體高效轉(zhuǎn)換材料，因?yàn)榈饣C晶體幾乎能把照射到的X射線全部吸收并轉(zhuǎn)換成可見光。紫外CCD的研究進(jìn)展較慢，主要原因是紫外輻射會(huì)與半導(dǎo)體工藝使用的一些材料發(fā)生相互作用（例如僅幾十納米厚的SiO2就會(huì)強(qiáng)烈吸收紫外輻射等）。目前主要采取用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料將紫外輻射轉(zhuǎn)換成較長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光的方法等來解決這一問題。這類波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料主要有六苯并苯、水楊酸鈉和紅寶石等。,由此可知，CCD實(shí)際上是一種三層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片，其基本結(jié)構(gòu)單元是MOS電容。CCD的襯底材料是P型硅半導(dǎo)體材料，襯底上面是一層二氧化硅絕緣層，這可用集成電路的平面工藝制作。二氧化硅上面是一層金屬層，然后可用光刻工藝把金屬層加工成各種柵(如輸入柵、轉(zhuǎn)移柵和輸出柵等)。信號(hào)電荷是通過二氧化硅/P型硅界面處P型硅表面的勢(shì)阱通道輸入、轉(zhuǎn)移和輸出的。,5.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器材料半導(dǎo)體存儲(chǔ)器按器件制造工藝可分為雙極型存儲(chǔ)器和MOS型存儲(chǔ)器兩大類。雙極型存儲(chǔ)器速度快但功耗大、集成度小，只用于速度要求非?？?、容量小的場(chǎng)合。MOS型存儲(chǔ)器除速度較慢之外，在功耗、集成度、成本等方面都優(yōu)于雙極型存儲(chǔ)器，故市場(chǎng)上絕大多數(shù)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器都是MOS型存儲(chǔ)器。若按照功能分類，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器(ROM)和順序存取存儲(chǔ)器(SAM)。其中RAM和ROM是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主流。,(3)可改寫只讀存儲(chǔ)器(EPROM)可改寫只讀存儲(chǔ)器(EPROM)允許用戶多次改寫或擦除已存儲(chǔ)的信息，主要分為紫外光改寫的只讀存儲(chǔ)器（UVEPROM）（見圖5.1）和電可改寫只讀存儲(chǔ)器（E2PROM）兩種（見圖5.2）。圖5.1UVEPROM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)UVEPROM的存儲(chǔ)單元是一個(gè)浮柵雪崩注入MOS管，其浮置柵和控制柵被包圍在SiO2柵氧化層中，其中浮置柵離P型襯底非常近（約100nm）。寫入時(shí)在漏極上加高壓脈沖使漏結(jié)產(chǎn)生雪崩效應(yīng)從而產(chǎn)生高能電子，部分能量大的電子會(huì)穿過薄SiO2層注入浮置柵，使浮置柵積累負(fù)電荷。由于浮置柵沒有放電回路，即使撤去高壓脈沖，負(fù)電荷仍會(huì)長(zhǎng)期保留在浮柵上，導(dǎo)致管子的開啟電壓升高。若控制柵被加上高電平，浮柵上有無電荷就會(huì)造成管子的不導(dǎo)通和導(dǎo)通兩種狀態(tài)，相當(dāng)于存入“0”或“1”。UVEPROM就是利用這一原理實(shí)現(xiàn)編程的。,擦除信息的操作實(shí)際上就是釋放浮柵上的電荷。由于沒有放電回路，電荷無法穿越SiO2層。為此，UVEPROM外殼表面設(shè)置了一個(gè)石英窗口，擦除信息時(shí)用強(qiáng)紫外光通過石英窗口照射存儲(chǔ)芯片一段時(shí)間，使浮柵上的電子獲得足夠的能量穿越SiO2層而逃逸。UVEPROM的缺點(diǎn)是擦除存儲(chǔ)芯片上已存儲(chǔ)信息的操作只能整片進(jìn)行。,E2PROM存儲(chǔ)單元的晶體管結(jié)構(gòu)與UVEPROM的相似，不同之處在于E2PROM的MOS管的浮柵和漏極之間的氧化層非常薄，相當(dāng)于一個(gè)供電子穿越的隧道。圖5.2E2PROM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)寫入時(shí)在控制柵上加上足夠高的正電壓，漏極接地，電子穿越隧道給浮柵充電；擦除時(shí)將控制柵接地，漏極加上適當(dāng)高的正電壓，從浮柵上吸出注入的電子。由于E2PROM可按字節(jié)用電來擦除或改寫，故E2PROM的使用比UVEPROM方便。,l(4)閃爍只讀存儲(chǔ)器(FlashROM)FlashROM是在EPROM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型電可改寫只讀存儲(chǔ)器。其存儲(chǔ)單元由一個(gè)雙層多晶浮柵MOS晶體管構(gòu)成。該晶體管以P+型半導(dǎo)體為襯底，以兩個(gè)N+區(qū)分別為源和漏，源與襯底之間為隧道氧化物N-,漏與襯底之間為P-型半導(dǎo)體。包圍于SiO2層中的浮柵有兩個(gè)，其中靠近襯底的一個(gè)浮柵無引出線與外界相連。另一個(gè)浮柵靠一根引出線與控制柵相連。該晶體管的特別之處是，作為隧道氧化層的第一層?xùn)沤橘|(zhì)非常薄，厚度僅10-20nm(見圖5.3)。圖5.3FlashROM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu),5.2磁存儲(chǔ)材料磁存儲(chǔ)材料是指利用矩形磁滯回線或磁矩的變化來存儲(chǔ)信息的一類磁性材料。物質(zhì)在磁場(chǎng)H的感應(yīng)下會(huì)被磁化，形成磁偶極子即磁矩。單位體積中的磁矩M被稱為磁化強(qiáng)度。磁性材料（特指鐵磁性材料，又稱強(qiáng)磁性材料）的特點(diǎn)是對(duì)外加磁場(chǎng)特別敏感、磁化強(qiáng)度M大。磁性材料的M和磁場(chǎng)H的關(guān)系很復(fù)雜，只能用磁化曲線和磁滯回線來描述（見圖5.4）。圖5.4磁性材料的磁化曲線磁滯回線,圖5.4所示是磁性材料的磁滯回線。把一塊未磁化的磁性材料置于磁場(chǎng)H中，若從零開始慢慢增大磁場(chǎng)，即可觀察到磁化強(qiáng)度M隨OAB曲線變化，最后在B點(diǎn)達(dá)到飽和。繼續(xù)增大磁場(chǎng)，M不再增大。OAB曲線稱為初始磁化曲線。此時(shí)若減小磁場(chǎng)，M并不沿初始磁化曲線原路返回，而是沿BCD曲線變化，當(dāng)磁場(chǎng)H為零時(shí)，M不等于零，而是等于Mr,Mr稱為剩余磁化強(qiáng)度。繼續(xù)減小磁場(chǎng)至D點(diǎn)時(shí)，磁場(chǎng)變?yōu)?Hc，這時(shí)M才重新回到零。Hc值稱為磁性材料的矯頑力。此時(shí)若繼續(xù)增加反向磁場(chǎng)，M值就會(huì)在負(fù)方向上迅速增大，然后在E點(diǎn)再次達(dá)到飽和。若從這種負(fù)飽和狀態(tài)開始，再次向正方向增大磁場(chǎng)，這時(shí)磁化曲線將沿著新路徑EFGB變化。由圖5.4可見，EFGB曲線以原點(diǎn)O為對(duì)稱點(diǎn)與BCDF曲線呈現(xiàn)對(duì)稱形式。由這兩條區(qū)線閉合而成的回線，稱為磁滯回線。,圖5.4磁性材料的磁化曲線磁滯回線,磁存儲(chǔ)技術(shù)就是利用磁滯回線的兩個(gè)剩磁狀態(tài)+Mr和-Mr來記憶二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)“0”和“1”的。磁存儲(chǔ)密度D與磁存儲(chǔ)材料的關(guān)系為D=(Hc/Mrm)/h（5-1）式中，h是磁性薄膜的厚度，Hc是矯頑力，Mr是剩余磁化強(qiáng)度，m是和磁滯回線的矩形度有關(guān)的因子。因此，若要提高磁存儲(chǔ)密度，介質(zhì)的Hc/Mr比和介質(zhì)磁滯回線的矩形比要大，介質(zhì)的厚度要薄。由于記錄信號(hào)強(qiáng)度正比于剩余磁化強(qiáng)度Mr,因此，為提高Hc/Mr比，介質(zhì)的矯頑力應(yīng)當(dāng)要大。根據(jù)磁化方向與存儲(chǔ)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方向是平行還是垂直，可把磁記錄方式分為平面磁記錄和垂直磁記錄兩種。目前計(jì)算機(jī)外存中使用的絕大多數(shù)硬、軟磁盤和磁帶都是采用平面磁記錄方式。在平面磁記錄方式中，為提高記錄信號(hào)的穩(wěn)定性，磁記錄介質(zhì)的矯頑力必須大于縱向退磁場(chǎng)?？v向退磁場(chǎng)取決于退磁因子和磁化強(qiáng)度。因此要求平面磁記錄介質(zhì)的矯頑力大、退磁因子小。,事實(shí)上平面磁記錄介質(zhì)從早期的氧化物磁粉（-Fe2O3、CrO2、用Co包裹的-Fe2O3）經(jīng)由金屬合金磁粉（Fe-Co-Ni等）發(fā)展到金屬薄膜（CoCrPt、CoNiCr或CoCrTa等）的過程就是一個(gè)不斷提高矯頑力和剩余磁化強(qiáng)度的過程。在這一發(fā)展過程中，人們意識(shí)到，為了實(shí)現(xiàn)高密度平面磁記錄，磁存儲(chǔ)介質(zhì)的晶粒尺寸要小、晶粒各向異性要大、晶粒間的相互交換作用要弱，而薄膜化是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的行之有效的方法。,垂直磁記錄方式的優(yōu)點(diǎn)是，磁記錄膜層的矯頑力不用很高，厚度也無需做得很薄，原因是垂直磁記錄時(shí)退磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨厚度的增加而減小。正是由于垂直磁記錄膜允許做得稍厚，其熱穩(wěn)定性也就較好。垂直磁記錄方式中，磁化方向垂直于磁記錄材料的膜面，因此材料的易磁化軸也必須垂直于膜面。要做到這一點(diǎn)，材料的單軸各向異性常數(shù)Ku必須大于等于2Ms2。滿足這個(gè)要求的材料主要是Co-Cr合金，在Co-Cr合金中添加Ta則能夠有效地抑制Co-Cr合金的晶粒長(zhǎng)大并改善矩形比，同時(shí)還能抑制平面磁化的矯頑力。,5.3無機(jī)光盤存儲(chǔ)材料光盤存儲(chǔ)技術(shù)是從70年代初期開始發(fā)展起來的一種新型信息存儲(chǔ)技術(shù)。1972年荷蘭飛利浦公司率先提出了一種利用激光束讀取信息的新型存儲(chǔ)媒體，這種新型存儲(chǔ)媒體就是后來音樂愛好者所熟悉的稱為激光反射式視盤（LD）,也是最早出現(xiàn)的一種光盤類型，其盤徑為300mm。LD與后來相繼出現(xiàn)的所有光盤的最大區(qū)別是，LD所錄的信息是模擬信號(hào)，而后來出現(xiàn)的所有其它光盤所錄的信息都是數(shù)字信號(hào)。由于激光束能被聚焦成直徑僅0.9m的光斑，故LD的信息存儲(chǔ)密度比以往的密紋唱片已高出許多（密紋唱片的紋槽密度是6-12條/mm，LD的紋槽密度是600條/mm,）。1982年，隨著數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)水平的提高，荷蘭飛利浦公司和日本索尼聯(lián)合推出了又一種稱為縮微光盤(CD)的數(shù)字化新型光盤，從而開創(chuàng)了激光數(shù)字光盤的新紀(jì)元。隨后，各種CD系列光盤如雨后春筍般地相繼問世，形成了一個(gè)龐大的CD家族。,CD家族光盤以紅外半導(dǎo)體激光器作為光源，聚焦物鏡的數(shù)值孔徑為0.45。光盤直徑一般為120mm,一般都采用聚碳酸樹脂為盤基材料,盤基厚度為1.2mm。CD家族光盤的單面存儲(chǔ)容量為650Mb,按照讀、寫、擦等功能分類，可分為三大類:只讀式光盤一次寫入光盤(CD-R)可擦重寫光盤只讀式光盤又可分為音頻CD光盤(CD-A)、視頻CD光盤(VCD)、CD-ROM光盤、橋光盤（BridgeDisc）和照片光盤(Photo-CD)可擦重寫光盤則可分為CD-RW、CD-MO光盤等。另外，直徑為130mm的磁光盤(MO)和相變光盤(PC)、直徑為2.5英寸的小型磁光盤(MD),因所用激光光源與普通CD光盤的相同，也可歸入CD家族。聚焦光斑的尺寸大小與激光的波長(zhǎng)成正比，與聚焦物鏡的數(shù)值孔徑NA成反比。即激光波長(zhǎng)越短，數(shù)值孔徑NA越大，聚焦光斑的尺寸就越小，光盤的存儲(chǔ)密度也就越高。因此，在遠(yuǎn)場(chǎng)光存儲(chǔ)的范圍，縮短激光波長(zhǎng)和增大物鏡數(shù)值孔徑一直是光盤不斷向高密度存儲(chǔ)發(fā)展的主要方法。,隨著紅光半導(dǎo)體激光器(=650nm)的商品化和數(shù)字壓縮技術(shù)、編碼技術(shù)的提高，上一世紀(jì)90年代后期又出現(xiàn)了單面存儲(chǔ)容量約為CD家族光盤7倍的DVD家族光盤(圖5.5)。圖5.5只讀式CD和DVD表面凹坑結(jié)構(gòu)示意圖,DVD光盤使用的聚焦物鏡的數(shù)值孔徑已增大到0.60。其標(biāo)準(zhǔn)直徑與CD光盤的相同，也是120mm。其厚度也是1.2mm,但DVD是用兩塊厚度為0.6mm的盤基粘合而成的。與CD家族類似，DVD家族光盤也可按照讀、寫、擦功能分為只讀式DVD光盤、一次寫入DVD光盤（DVD-R）和可擦重寫DVD光盤。其中只讀式DVD光盤又可分為音頻DVD光盤（DVD-Audio）、視頻DVD光盤（DVD-Vedio）、DVD-ROM等?？刹林貙慏VD光盤則可分為DVD-RAM、DVD-RW和DVD+RW等。目前正在或即將商品化的更高存儲(chǔ)密度的光盤是以GaN藍(lán)光半導(dǎo)體激光器(=400nm)為光源的高密度DVD光盤(單面單層容量約為25GB),聚焦物鏡的數(shù)值孔徑為0.82左右。高密度DVD光盤也分為只讀式、一次寫入式和可擦重寫式三大類。本節(jié)將分別介紹只讀式光盤材料和可擦重寫式光盤存儲(chǔ)材料。因?yàn)橐淮螌懭牍獗P是用有機(jī)染料作為存儲(chǔ)材料，將安排在5.6節(jié)“有機(jī)光盤存儲(chǔ)材料”中另外介紹。,5.3.1只讀式光盤材料只讀式CD光盤的膜層結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡(jiǎn)單，一般由聚碳酸樹脂盤基、Al反射膜構(gòu)成。信息的存儲(chǔ)是先通過取樣、量化、8-14調(diào)制（EFM）等步驟將要記錄的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)位數(shù)字信號(hào)，再用脈沖調(diào)制碼的編碼方式編制成程序，由計(jì)算機(jī)控制激光刻錄儀在光盤的玻璃母盤上刻出3T-11T（1T=273.1ns）長(zhǎng)度不等的凹坑(Pit)和平臺(tái)(Land)結(jié)構(gòu)，然后通過電鑄等步驟將玻璃母盤表面的凹凸結(jié)構(gòu)復(fù)制到金屬模盤上，再通過注塑積壓成型的方式將金屬膜盤上凹凸結(jié)構(gòu)復(fù)制到聚碳酸樹脂盤的表面上(圖5.5)。圖5.5只讀式CD和DVD表面凹坑結(jié)構(gòu)示意圖,數(shù)字化方法采樣采樣就是將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的時(shí)間信號(hào)采樣定理:輸入信號(hào)能從采樣得到的信號(hào)序列中重構(gòu)出來的條件是對(duì)輸入信號(hào)的采樣頻率S不應(yīng)小于輸入信號(hào)最高頻率的二倍,量化量化過程就是將采樣得到的信號(hào)幅值轉(zhuǎn)換成數(shù)字化幅值,脈沖編碼調(diào)制(PCM)PCM就是將一系列二進(jìn)制數(shù)組(每一組代表一個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)值)排列成順序脈沖列,交叉交織里德-索羅門檢錯(cuò)糾錯(cuò)碼(CIRC)光盤表面的刮痕等會(huì)在讀取信號(hào)時(shí)產(chǎn)生誤碼,用CIRC可以檢出并糾正這種誤碼CIRC的基本檢糾錯(cuò)是通過“加總”的方式進(jìn)行的,將“校驗(yàn)和”即各行和值與各列和值以及行和值總和(=列和值總和)作為冗余數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)一起編碼.例1:(單個(gè)數(shù)據(jù)出錯(cuò)),例2:(一行數(shù)據(jù)出錯(cuò))(a)為原始數(shù)據(jù),然后沿虛線箭頭對(duì)角線順序記錄在光盤上,數(shù)據(jù)行列變成(b).若光盤上第三行數(shù)據(jù)如(C)那樣全出錯(cuò),在檢錯(cuò)處理之前,先對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉逆編碼,成為(d)格式,這時(shí)可發(fā)現(xiàn)原先在一行的出錯(cuò)數(shù)據(jù)被重新排列成單個(gè)出錯(cuò)數(shù)據(jù)分別位于對(duì)角線上.經(jīng)過交叉處理后第三行出錯(cuò)數(shù)據(jù)被分離開來,這樣就能如例1那樣檢糾錯(cuò).,例3:(奇偶校驗(yàn))這種檢糾錯(cuò)技術(shù)用于二進(jìn)制數(shù)時(shí),稱作奇偶校驗(yàn).若四位二進(jìn)制數(shù)中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù),則奇偶校驗(yàn)位為1,否則為0.,數(shù)據(jù)編碼在CIRC處理后,光盤的每一幀含有192位數(shù)據(jù),64位校驗(yàn)碼,還要加入27位同步碼和8位子碼(Subcode),旨在為光盤唱機(jī)增加控制信息.此時(shí)的每一幀共含291位數(shù)據(jù).EFM調(diào)制數(shù)據(jù)流中加入校驗(yàn)碼、同步碼和子碼后,要對(duì)該數(shù)據(jù)流進(jìn)行EFM(8-14調(diào)制),經(jīng)過EFM調(diào)制,原先8位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)就變成14位的二進(jìn)制數(shù)據(jù).為何要進(jìn)行EFM調(diào)制?1.十四位數(shù)據(jù)有16,384種組合方式2.從十四位數(shù)據(jù)中可選出更多唯一性的組合每個(gè)十四位數(shù)據(jù)之間加入三位區(qū)分碼.,凹坑長(zhǎng)度1.NRZ(Non-return-to-zero)信號(hào):信號(hào)高為1,信號(hào)低為0.2.NRZI(Non-return-to-zeroInverted)信號(hào):信號(hào)在每個(gè)1的中心轉(zhuǎn)換.3.在EFM調(diào)制后,將NRZ信號(hào)變成NRZI信號(hào),使波形轉(zhuǎn)換減少,簡(jiǎn)化光盤表面的凹坑結(jié)構(gòu).4.從十四位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的16,384種組合中選用256種,規(guī)定連續(xù)出現(xiàn)的0不得少于兩個(gè),不得多于十個(gè).定義T為周期,規(guī)定CD表面的凹坑(pit)或臺(tái)階(land)的長(zhǎng)度最短為3T,最長(zhǎng)為11T.,這樣,用計(jì)算機(jī)控制母盤刻錄儀,編碼信息就可用這種凹坑結(jié)構(gòu)的不同排列組合記錄到母盤上,再通過一系列復(fù)制工藝記錄到子盤上.,讀取數(shù)據(jù)激光的干涉和衍射,放大（OPD=m),衰減(OPDm或n/2),抵消(OPD=n/2),規(guī)定凹坑和平臺(tái)的長(zhǎng)度代表0的個(gè)數(shù)，凹坑和平臺(tái)交界的邊沿處為1。其上再依次鍍上Al反射膜和保護(hù)涂層。讀出時(shí)用激光從光盤盤基入射、穿過盤基被聚焦到上述凹凸結(jié)構(gòu)表面。照射到平臺(tái)上的反射光因相位相同，干涉后增強(qiáng)，由于凹坑寬度小于光斑直徑，照射到凹坑處的激光一部分落到凹坑底部被反射，一部分在平臺(tái)上反射，又由于凹坑被設(shè)計(jì)成1/4波長(zhǎng)的深度，被凹坑底部反射和平臺(tái)反射的反射光的光程差為1/2波長(zhǎng)，滿足干涉相消的條件，故強(qiáng)度減弱。因此，在光盤放送過程中，激光唱機(jī)的光電二極管就會(huì)探測(cè)到反射光的這種強(qiáng)弱變化并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后通過糾錯(cuò)、解調(diào)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)輸出(見圖5.6)。圖5.6只讀式CD光盤表面的凹凸結(jié)構(gòu)和讀出原理（a：Land；b：Pit）,各種功能的只讀式CD光盤的膜層結(jié)構(gòu)基本相同，只是由于記錄的信息不同(音頻、視頻信號(hào)或數(shù)據(jù)),采用的壓縮技術(shù)不同，光盤表面的分區(qū)結(jié)構(gòu)有所不同。只讀式DVD光盤的膜層結(jié)構(gòu)比只讀式CD光盤的要復(fù)雜一些。首先，如前所述，DVD是由兩塊0.6mm厚的盤基相對(duì)粘合而成的。DVD的盤基材料與CD的相同，也是聚碳酸樹脂。兩塊盤基之間的粘合層是紫外硬化樹脂。只讀式CD光盤一般取單面單層的方式記錄信息。但只讀式DVD光盤按照記錄信息的面和層的多少，可分為DVD-5（單面單層，存儲(chǔ)容量為4.7GB）、DVD-9（單面雙層,存儲(chǔ)容量為8.5GB）、DVD-10(雙面單層，存儲(chǔ)容量為9.4GB)、DVD-18(雙面雙層，存儲(chǔ)容量為17GB)。因此，不同存儲(chǔ)容量的只讀式DVD光盤的膜層結(jié)構(gòu)各不相同。圖5.7各種只讀式DVD光盤的膜層結(jié)構(gòu),5.3.2可擦重寫無機(jī)光盤存儲(chǔ)材料可擦重寫光盤存儲(chǔ)材料按照光盤讀、寫、擦原理的不同，主要分為磁光材料和相變材料兩種。MO和MD等磁光盤采用磁光存儲(chǔ)材料；相變光盤PCD、PD、CD-RW、DVD-RAM、DVD-RW和DVD+RW等光盤都采用相變材料。,5.3.2.1磁光材料磁光存儲(chǔ)的寫入和擦除原理：當(dāng)用脈沖聚焦激光束瞬間照射磁化矢量垂直于膜面的磁光薄膜表面，使光照微區(qū)急劇升溫至薄膜的居里溫度(Tc)時(shí)，該微區(qū)會(huì)發(fā)生退磁，自發(fā)磁化強(qiáng)度消失為零(M=0)。當(dāng)激光脈沖結(jié)束后，該微區(qū)溫度下降，至Tc以下后，磁矩逐漸變大并與磁光讀寫頭上的反向偏置磁場(chǎng)(Hb)方向一致。與此同時(shí)，由于磁光薄膜的矯頑力(Hc)大于反向偏置磁場(chǎng)Hb,磁光薄膜未經(jīng)光照的其它區(qū)域的磁化矢量方向保持不變，從而光照微區(qū)和周圍其它區(qū)域的磁化方向正好相反，也就是說實(shí)現(xiàn)了記錄。若改變偏置磁場(chǎng)Hb的方向，利用脈沖激光照射該微區(qū)，即可使該微區(qū)的磁化矢量方向再次翻轉(zhuǎn)，與周圍區(qū)域的磁化矢量方向一致，也就是說實(shí)現(xiàn)了擦除。鐵磁材料只有居里點(diǎn)溫度一個(gè)特征溫度，故鐵磁薄膜用上述方式實(shí)現(xiàn)寫擦（見圖5.8)。,圖5.8磁光盤寫、讀、擦原理,圖5.4磁性材料的磁化曲線磁滯回線,就亞鐵磁材料而言，除居里溫度Tc外，還有另一個(gè)稱為補(bǔ)償溫度(Tcomp)的特征溫度。在此溫度，自發(fā)磁化強(qiáng)度M也為零。由于材料的矯頑力Hc正比于1/M,故在Tcomp時(shí)，Hc趨于無窮大。當(dāng)把脈沖激光聚焦到材料表面的某個(gè)微區(qū)，使該微區(qū)的溫度略高于Tcomp時(shí)，Hc值隨之急劇下降。當(dāng)Hc降至小于偏置磁場(chǎng)Hb時(shí)，就可通過改變Hb的方向，實(shí)現(xiàn)寫入和擦除操作。磁光盤的讀出基于磁光克爾效應(yīng)或法拉第效應(yīng)。磁光克爾效應(yīng)是指用線偏振光照射磁化方向垂直于表面的磁性材料時(shí)反射光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。偏振面的旋轉(zhuǎn)角度k正比于磁化強(qiáng)度。若磁性薄膜的磁化方向垂直向下，記錄微區(qū)的磁化方向就應(yīng)垂直向上。由于磁化方向的不同，當(dāng)激光掃描到這兩種區(qū)域時(shí)，反射光偏振面的旋轉(zhuǎn)角度k雖然相同，旋轉(zhuǎn)方向正好相反。若我們把檢偏器調(diào)整到磁化方向垂直向下的非記錄區(qū)域的反射偏振光不能通過，使磁化方向垂直向上的記錄微區(qū)的反射偏振光能通過sin(2k)的分量，探測(cè)器即可有效地讀出已記錄的信息。法拉第效應(yīng)是指線偏振光沿著磁性材料的磁化方向透過磁性材料時(shí)，偏振面的旋轉(zhuǎn)角度F與材料厚度和光束前進(jìn)方向的磁化強(qiáng)度成正比。,基于磁光存儲(chǔ)的上述讀、寫、擦原理，對(duì)磁光存儲(chǔ)薄膜材料的最基本要求可歸結(jié)如下：1)磁化矢量必須垂直于膜面。2)材料的飽和磁化強(qiáng)度Ms要小。3)材料的矯頑力Hc要足夠大。4)薄膜的磁滯回線必須是矩形。5)材料的居里溫度要適中。6)材料的克爾旋轉(zhuǎn)角要大。經(jīng)過多年的研究開發(fā)，用于磁光盤的磁光存儲(chǔ)材料已有很大發(fā)展，大致可分為稀土-過渡金屬（RE-TM）非晶態(tài)合金薄膜、石榴石氧化物薄膜、Pt-Co成分調(diào)制膜和Pt-Co合金薄膜、Mn基大磁光效應(yīng)材料等。,5.3.2.2相變材料相變光盤（包括PCD、PD、CD-RW、DVD-RAM、DVD-RW和DVD+RW等)）的讀、寫、擦基于以下原理。相變光盤的寫入和擦除，是用激光引發(fā)硫系半導(dǎo)體記錄膜相變實(shí)現(xiàn)的。由于硫系半導(dǎo)體薄膜在晶態(tài)、非晶態(tài)兩相中的光學(xué)參數(shù)如反射率、折射率不同，可逆相變就會(huì)引起這些光學(xué)參數(shù)的可逆變化。一般相變光盤在實(shí)施寫、擦之前，先要進(jìn)行初始化。所謂初始化就是用激光對(duì)相變光盤均勻照射使硫系半導(dǎo)體記錄膜全體處于均一的晶態(tài)中。經(jīng)過初始化的相變光盤即可進(jìn)行寫入和擦除操作。此時(shí)若用高功率密度、窄脈寬的激光照射相變光盤，其記錄膜的光照區(qū)就會(huì)發(fā)生非晶化，而記錄膜的其它部分(非光照區(qū))則仍為晶態(tài)。以反射率為例，此時(shí)光照區(qū)的反射率是記錄膜處于非晶態(tài)時(shí)的反射率，非光照區(qū)的反射率是記錄膜處于晶態(tài)時(shí)的反射率。若將此非晶態(tài)區(qū)域視為“1”，晶態(tài)區(qū)域視為“0”，光引發(fā)的熱致非晶化即可視為是在記錄膜上寫入數(shù)字信號(hào)。如果這種反射率的差別能長(zhǎng)期保持，則寫入的信號(hào)就得以儲(chǔ)存。若用較低功率密度、較寬脈沖激光照射此非晶態(tài)區(qū)域，該區(qū)域又會(huì)發(fā)生晶化，光照區(qū)域又回到“0”的狀態(tài)。這時(shí)，原來寫入的信號(hào)已被擦除。信號(hào)的讀出是用不會(huì)引起材料相變的低功率密度激光照射上述光照或非光照區(qū)域，用光電探測(cè)器檢測(cè)其反射光并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的方法進(jìn)行的。,相變光盤存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)相變光盤的基本要求是高靈敏度高信噪比長(zhǎng)期保存性(穩(wěn)定性)單光束高速直接重寫高寫/擦循環(huán)次數(shù),(4)單光束高速直接重寫相變光盤的另一重要特性是單光束高速直接重寫。圖5.9給出了相變光盤單光束直接重寫時(shí)的激光功率調(diào)制示意圖(a)和直接重寫軌跡圖（b）。由圖可知，相變光盤單光束直接重寫時(shí)的激光功率存在三個(gè)功率水平：(a)寫入峰值功率；(b)擦除偏置功率；(c)讀出功率。圖5.9相變光盤單光束直接重寫時(shí)的激光功率調(diào)制示意圖(a)和直接重寫軌跡圖（b）,所謂單光束直接重寫是指，當(dāng)用單束激光照射相變記錄層時(shí)，不管光照區(qū)在光照前是處于非晶態(tài)還是晶態(tài)，只要該區(qū)域被用峰值寫入功率照射，該區(qū)域就變成非晶態(tài)（即寫入態(tài)）；同樣，只要該區(qū)域被用偏置擦除功率照射，該區(qū)域就變成晶態(tài)(即擦除態(tài))（參見圖5.2）。這樣，相變光盤在重寫時(shí)就不需要先轉(zhuǎn)一圈擦除舊信息，在轉(zhuǎn)一圈重新寫入信息。而是在重新寫入的同時(shí)直接擦除了舊有的信息。這種單光束直接重寫功能對(duì)提高相變光盤的數(shù)據(jù)傳輸速率十分重要。光盤在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其內(nèi)周的線速度慢于外圈的線速度。對(duì)于普通商業(yè)化的130mm相變光盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(采用區(qū)域等角速度技術(shù)ZCAV),當(dāng)轉(zhuǎn)速為1800rpm時(shí)，光盤