试谈光电信息功能材料研究进展

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。
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关键材料和器件子专题
2001年国际半导体技术发展路线图
CMOS
2016
450mm
300mm
200mm 150mm
Si 晶片
硅单晶
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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。
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2.2 硅基高效发光研究取得突破进展
• 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。
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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。
光电信息功能材料研究进展
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
• 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。
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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NCdS/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。
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%。
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2.2 硅基高效发光研究取得突破进展
• 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！
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
• 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。
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2.1 硅微电子技术发展趋势
• 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。
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二、光电信息功能材料研究新进展
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。
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。
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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。
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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。
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• 另外，随着在大尺寸硅衬底上高Hale Waihona Puke Baidu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！
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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。
到2016年，Si基CMOS器件特征尺寸小到30nm,硅晶片直径
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将达450mm，我国与先进国家差距约8年！
2.1 硅微电子技术发展趋势
• 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。
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2.3 量子级联激光材料与器件研究取得进展
• 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