新型光電子材料

光電信息功能材料研究進展趙昶（北京石油化工學院）

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

2.1

硅微電子技術發(fā)展趨勢

2.2硅基異質結構材料與光電器件

2.3

激光器材料與器件

2.4寬帶隙半導體材料和器件

2.5納米(低維)半導體材料與量子器件

2.6其他光電信息功能材料與器件三、發(fā)展趨勢1/12/20231一、引言：21世紀是高度信息化的社會

超大容量信息傳輸、超快實時信息處理和超高密度信息存儲是21世紀信息社會追求的目標，發(fā)展信息功能材料是基礎。

主要介紹近年來光電信息功能材料，特別是半導體微電子、光電子材料,半導體納米結構和量子器件等的研究進展。1/12/20232

2.1硅微電子技術發(fā)展趨勢硅（Si）材料作為當前微電子技術的基礎，預計到本世紀中葉都不會改變。

從提高硅集成電路（ICs）性能價格比來看，增大直拉硅單晶的直徑，仍是今后硅單晶發(fā)展的大趨勢。硅ICs工藝由8英寸向12英寸的過渡將在近年內完成。預計2016年前后，18英寸的硅片將投入生產(chǎn)。從進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、大直徑和無缺陷硅外延片會成為硅材料發(fā)展的主流。二、光電信息功能材料研究新進展1/12/20233

到2016年，Si基CMOS器件特征尺寸小到30nm,硅晶片直徑將達450mm，我國與先進國家差距約8年！2001年國際半導體技術發(fā)展路線圖關鍵材料和器件子專題2016450mm300mm200mm150mmSi晶片CMOS硅單晶1/12/20234

根據(jù)國際半導體工業(yè)協(xié)會預測，2016年大多數(shù)已知的硅CMOS技術將接近或達到它的”極限”,這時硅ICs技術的特征線寬將達到20納米左右,摩爾定律將受到挑戰(zhàn)。

為此，人們在積極探索基于全新原理的量子計算、分子計算和DNA生物計算等同時，更寄希望于發(fā)展新材料和新技術，以求進一步提高硅基集成芯片的運算速度和功能。

2.1硅微電子技術發(fā)展趨勢1/12/20235其中,尋找高K材料,低K互連材料和Cu引線,以及系統(tǒng)集成芯片(SOC)技術;采用絕緣體上半導體（SOI）材料和GeSi/Si等應變硅技術等,是目前硅基ICs發(fā)展的另一個重要方向。

為滿足人類不斷增長的對更大信息量的需求，近年來在硅基光電集成和光電混合集成研究方面取得了重要進展。2.1硅微電子技術發(fā)展趨勢1/12/20236

2.2硅基高效發(fā)光研究取得突破進展

硅基光電集成一直是人們追求的目標，其中如何提高硅基材料發(fā)光效率是關鍵。經(jīng)過長期努力，2003年在硅基異質結電注入高效發(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量GaAs外延薄膜的生長成功，向硅基光電混合集成方向也邁出了重要的一步！1/12/202372.2硅基高效發(fā)光研究取得突破進展

2001年英國Ny等應用一種所謂“位錯工程”的方法，使硅基光發(fā)射二極管（LED）室溫量子效率提高到0.1%。注入到硅中的硼離子既是P型摻雜劑，又可與N型硅形成PN結，同時又在硅中引入位錯環(huán)；位錯環(huán)形成的局域場調制硅的能帶結構，使荷電載流子空間受限，從而使硅發(fā)光二極管器件的量子效率得到了提高。

五個月后，Green等采用類似于高效硅太陽能電池的倒金字塔結構，利用光發(fā)射和光吸收互易的原理,又將硅基LED的近室溫功率轉換效率提高到1%。1/12/20238

2002年STM電子公司的科學家將稀土離子，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，具有寬帶隙的納米硅抑制了非輻射復合過程發(fā)生，大大提高了量子效率。創(chuàng)造了外量子效率高達10%的硅基發(fā)光管的世界紀錄！

發(fā)光管的發(fā)光波長依賴于稀土摻雜劑的選擇，如摻鉺(Er)發(fā)1.54微米光（標準光通信波長），摻鋱（Tb）發(fā)綠光，摻鈰（Ce）發(fā)藍光。2.2硅基高效發(fā)光研究取得突破進展1/12/202392.2硅基高效發(fā)光研究取得突破進展

哈佛大學的Xiangfen

Duan等研制成功硅基N-CdS/P-Si納米線電驅動激光器.N-CdSNW被平放在P-Si導電襯底上,形成N-CdS/P-Si異質結，空穴沿著整個NW的長度注入，電子從Ti/Au電極注入。1/12/2023102.2硅基高效發(fā)光研究取得突破進展

2001年Motolora實驗室利用在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量的GaAs，引起人們關注。右下圖是利用這種技術在GaAs/Si基片上制造的光電器件集成樣品。1/12/2023112002年日本的Egawa等采用AlN/AlGaN

緩沖層和AlN/GaN多層結構，在2英寸的硅襯底上，生長出高結晶質量的、無龜裂的InGaN基發(fā)光管。藍光發(fā)光管在20毫安時的工作電壓為4.1V，串聯(lián)電阻30歐姆，輸出功率為藍寶石襯底的一半。從總體來看，其特性可與藍寶石襯底的結果相比。

硅基高效發(fā)光是硅基光電子集成的基礎，一直是人們長期追求的目標，硅基高效發(fā)光器件的研制成功，為硅基光電子集成和密集波分復用光纖通信應用提供了技術基礎，具有深遠的影響。2.2硅基高效發(fā)光研究取得突破進展1/12/202312

2.3量子級聯(lián)激光材料與器件研究取得進展

量子級聯(lián)激光器是單極性器件，原則上不受能帶結構所限，是理想的中、遠紅外光源，在自由空間通信、紅外對抗、遙控化學傳感、高速調制器和無線光學連接等方面有著重要應用前景。1/12/202313

在過去的8年多的時間里，量子級聯(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展。

2001年瑞士Neuchatel大學的科學家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結構使波長為9.1微米的量子級聯(lián)激光器的工作溫度高達312K，單模連續(xù)輸出功率3mW。量子級聯(lián)激光器的工作波長已覆蓋近紅外到近遠紅外波段（3-70微米）。2.3量子級聯(lián)激光材料與器件研究取得進展1/12/202314

第三代（高溫、寬帶隙）半導體材和器件，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)異的短波長光電子材料。

在通信、汽車、航空、航天、石油開采、全色大屏幕顯示、全固態(tài)白光照明、超高密度光存儲讀寫光源和海底光通信以及國防等方面有著廣泛的應用前景，是目前國際高技術研發(fā)的重點領域。

2.4寬帶隙半導體材料與器件1/12/202315

半導體固態(tài)光源的廣泛應用，將觸發(fā)照明光源的革命！目前GaN基高功率LED的流明效率為50lm/瓦（小芯片為70lm/瓦）的GaN基白光LED已研制成功；但體積僅為白熾燈的1%和功耗的1/3。

GaN基高溫、高功率、高頻電子器件研制取得重要進展。2003年美國CREE公司研制出的GaNHEMT的功率密度已達到32W/mm；Fujitsu研制出的GaNHEMT放大器輸出功率達174W，電壓63V。

2.4寬帶隙半導體材料與器件1/12/202316

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

ZnO基寬禁帶半導體材料以其很高的激子激活能（60mev）及其在藍紫光電子器件方面的應用前景受到關注。ZnO

納米線在光泵下產(chǎn)生受激發(fā)射的實驗結果，引起了廣泛的興趣，已成為目前研究熱點之一。

氧化物半導體材料的研究，有可能開辟研制短波長發(fā)光材料的新途徑。2.4寬帶隙半導體材料與器件1/12/202317

目前，除SiC單晶襯底材料，GaN基（藍寶石襯底）藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導體材料仍處在實驗室研發(fā)階段，不少影響這類材料發(fā)展的關鍵問題如：高質量GaN單晶襯底和ZnO單晶及薄膜制備，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜等仍是制約這些材料走向實用化的關鍵問題，國內外雖已做了大量的研究，至今仍未取得重大突破。2.4寬帶隙半導體材料與器件1/12/202318

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，直接帶隙可達近紅外波段；因在光通信和提高太陽電池轉換效率等方面有重要的應用前景，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，其PL發(fā)光波長可長達1.6mm。Fischer等人還報道了1.5mm室溫工作的InGaNAs/GaAs邊沿發(fā)射激光器。窄帶隙III族氮化物的另一個重要的應用是用來制造長波長垂直腔面發(fā)射激光器，并取得了重要進展。2.4寬帶隙半導體材料與器件1/12/2023192.5納米（低維）半導體材料與量子器件

納米（低維）半導體材料，通常是指除體材料之外的二維超晶格、量子阱材料，一維量子線和零維量子點材料，是自然界不存在的人工設計、制造的新型半導體材料。MBE、MOCVD技術和微細加工技術的發(fā)展與應用，為實現(xiàn)納米半導體材料生長、制備和量子器件的研制創(chuàng)造了條件。

目前，以GaAs、InP為代表的晶格匹配或應變補償?shù)某Ц瘛⒘孔于宀牧象w系已發(fā)展得相當成熟，并成功地用于制造微電子和光電子器件與電路。目前發(fā)展的方向是研制光電集成芯片材料和器件，以滿足新一代光纖通信和智能光網(wǎng)絡發(fā)展的需求。

1/12/202320

以量子點結構為有源區(qū)的量子點激光器、長波長垂直腔表面發(fā)射激光器和量子點光放大器等的研制取得了長足進步。

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

2.5納米半導體材料與量子器件1/12/202321

基于量子點的單光子光源和它特有的長消相干時間，有望在量子計算、量子密碼通信方面獲得應用。

普渡大學的研究人員，應用線寬為50nm的EB光刻技術使兩個量子點連接起來，每個QD的直徑為180nm,可容納20-40個電子。通過控制每個QD中電子的數(shù)目和探測相關電子的自旋，可作為量子計算機的基元。2.5納米半導體材料與量子器件1/12/202322高度有序的半導體量子線的制備難度較大，過去的二年里，量子線的生長制備和性質研究取得了長足的進步。半導體量子線可用應變自組裝方法，VLS方法，在圖形化襯底上和通過精細加工的方法等獲得。

半導體納米線、帶是一個理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。半導體量子線材料和器件2.5納米半導體材料與量子器件1/12/20232310nm（110）（1-10）2.5納米半導體材料與量子器件中科院半導體材料科學重點實驗室研制的InP基InAs/InAlAs量子線超晶格TEM(110)截面像（下圖上），(1-10)截面像（下圖左）,室溫偏振光致發(fā)光圖（下圖右）。1/12/202324

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

香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領導的小組，分別在SiO2/Si和InAs/InP量子線超晶格結構的生長制備方面也取得了重要進展。

半導體氧化物納米線（帶）研究取得進展2.5納米半導體材料與量子器件1/12/202325多種納米線、納米帶材料例舉（一）2.5納米半導體材料與量子器件1/12/202326多種納米線、納米帶材料例舉（二）2.5納米半導體材料與量子器件1/12/202327

美國哈佛大學的Gudiksen等，分別利用激光協(xié)助催化方法和應用金納米團簇催化劑結合化學汽相淀積技術，生長成功2-21層的組分調制納米線超晶格結構GaAs/GaP和P-Si/N-Si，P-InP/N-InP調制摻雜納米線超晶格結構。

納米線的直徑和異質結或PN結界面組分與摻雜的陡度，依賴于催化劑金等納米團簇的大小，納米線超晶格的直徑從幾個納米到數(shù)十納米不等，長度可達幾十微米。2.5納米半導體材料與量子器件1/12/202328

金納米液滴分布在氧化硅上面，用V-L-S方法，通過變換氣相成分，生長Ⅲ-Ⅴ和Ⅳ超晶格。如GaAs/GaP

納米線超晶格，GaAs是直接帶隙，而GaP是間接帶隙；在GaAs/GaP超晶格結構中，GaAs發(fā)光，GaP不發(fā)光，如圖所示。這種結構可以用作納米條型碼，也可以制成納米PN結和LED,在超靈敏生物和化學檢測和高集成邏輯門電路方面得到應用。

2.5納米半導體材料與量子器件1/12/202329

加洲大學伯克利的Johnson等利用鎳催化劑和V-L-S方法，通過金屬鎵和氨在900C藍寶石襯底上直接反應，合成了直徑在幾十到幾百納米之間，長達數(shù)十微米的GaN納米量子線。

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

激射波長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主要的激射機制觀點。2.5納米半導體材料與量子器件1/12/202330

2001年美國加州大學的PeidongYang等研制成功ZnO納米線紫外激光器。

單晶ZnO納米線結構是在鍍金的藍寶石襯底上，以金作為催化劑，沿垂直于襯底方向生長出來的。納米線長2-10微米，直徑為20-150納米。ZnO納米線和襯底之間的界面形成激光共振腔的一個鏡面，納米線的另一端的六方理想解理面為另一個鏡面。在266納米光的激發(fā)下，由納米線陣列發(fā)出波長在370-400納米的激光。單個納米線激射也曾觀察到。

ZnO納米線光泵激射現(xiàn)象，是香港科技大學湯子康教授等首先觀察到的。2.5納米半導體材料與量子器件1/12/202331ZnO納米線室溫光泵受激發(fā)射2.5半導體量子線、量子點材料與器件1/12/202332半導體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。5mm5mm5mm1/12/202333將光子和電子的能帶工程相結合，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)射量子級連激光器。通過改變二維光子晶體晶格常數(shù)來改變激光發(fā)射譜。1/12/2023341/12/2023352.6其它信息功能材料與器件研究進展信息存儲材料和器件：

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

應用光存儲技術，其存儲密度可隨光波波長的變短而得到成倍的增長，但光存儲技術的面密度也已接近光學衍射極限。

探索尋找可實用的海量光存儲新材料和發(fā)展諸如三維光存儲技術、全息光存儲技術和近場光存儲等是目前的主攻方向。1/12/2023362.6其它信息功能材料與器件研究進展

平板顯示器件:

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

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

提高有機發(fā)光材料的穩(wěn)定性、紅光和藍光的色純度以及發(fā)光亮度等是目前的主要研發(fā)方向。1/12/202337

三、發(fā)展趨勢、建議和討論3.1信息功能材料發(fā)展趨勢

信息載體:

由電子-光子、電子結合-光子方向發(fā)展。開發(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)調控等。

信息功能材料：

由體材料-薄層、超薄層微結構材料-集材料、器件、電路為一體的功能集成芯片材料-有機/無機復合材料-無機