半导体光电器件(科普)

半导体光电器件—信息时代的基石
张永刚
你知道什么是半导体光电器件吗？当你提起电话与远在天边的朋友侃侃而谈，交换着许多重要的和不重要的消息时，当你打开电脑去网上冲浪，贪婪地吸吮着各种有价值和没价值的信息时，半导体激光器、探测器、调制器、和光放大器等正默默地为你充当着忠实的信使；当你把光盘放进各种五花八门的机器中时，半导体激光器和探测器正作为你勤劳的仆人不厌其烦地取出那张塑料片上的信息，把它变成你想欣赏的电影、音乐和其他你想要的东西。

人造卫星遨游在太空中，半导体红外探测器是它的千里眼，半导体太阳能电池为它提供着用之不竭的能源；我们眼前的五颜六色的世界也有半导体发光二极管的一份功劳。

半导体光电器件的大家族中包含许多成员，他们有的能把电变成光，也有的能把光变成电，还有的能对光和电的信号进行各种处理和放大。

半导体光电器件的工作波长是和制作器件所用的半导体材料的种类相关的。

半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时，就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。

材料科学的发展使我们能采用能带工程对半导体材料的能带进行各种精巧的裁剪，使之能满足我们的各种需要并为我们做更多的事情，也能使半导体光电器件的工作波长突破材料禁带宽度的限制扩展到更宽的范围。

半导体光电器件已经为我们做了很多，它还能为我们做些什么呢？
光通信的发展需要新型的半导体光电器件
随着信息时代的来到，人们对信息的追求已进入了如痴如醉的境地，而传输如此海量的信息，必然要占用越来越大的通信带宽。

根据预测，未来25年中人们对通信带宽的需求将以每年增加三倍的速度增长，近年来网络通信需求的急剧膨胀，未来几年中对通信带宽的需求将每年增加十倍，靠什么样的技术才能支撑起增长如此迅速的通信带宽呢？
在有线通信方面，由于导线的传输损耗正比于传输频率及传输距离，普通双绞线(如电话线)上传输的信息的带宽仅是几十KHz,只能用来传输话音和文字信息，这样的带宽用来传输静止的图象已有捉襟见肘之感；同轴电缆(如有线电视电缆)的传输带宽可达几百MHz,这样的带宽目前对于大多数个人用户来说也许已经够用，但要支撑起包含成千上万用户的信息网络，显然也是无能为力的；众所周知，在无线通信(包括卫星通信)方面，所有带宽资源都已各有其主，因此，在未来几十年中也只有用光纤才能构筑起这样一个每天吞噬着海量信息的巨大网络大厦。

用光作为信息载体，采用石英光纤传输信息，在今天已经得到了广泛的应用。

石英光纤在近红外波段具有良好的传输特性，在1300nm波长附近其色散达到极小，有利于传输高速信号,在1550nm波长附近其损耗达到极小，有利于信号的长距离传输,而在1300～1650nm波长范围内损耗和色散特性均较为平坦，是一个可以充分利用的宽广频带。

在这个频带上，光波的频率约为200THz，可用的带宽达到40THz以上，这在今天看来几乎是一个无限的带宽资源，但如果考虑到带宽需求每年增加三倍的趋势，20年后40THz的带宽也只相当于今天的10KHz,这只不过是一路话音信号的带宽而已。

要想充分利用光纤这种具有巨大信息传输能力的传输介质，必须发展出各种相应的技术，还要有各种有源或无源的光子、电子及光电子元器件与之相匹配，其中半导体光电器件就是进行光纤信息传输所需的基本的和关键的器件。

下面就介绍几种典型的器件。

量子阱半导体激光器
光纤通信技术发展到今天已有近卅年的历史了，目前广泛应用于光纤通信系统的光源器件是采用III-V族化合物半导体材料InGaAsP/InP制作的激光二极管。

InGaAsP/InP材料体系的发光波长正好满足了石英光纤的需要，采用这种材料制作的半导体激光器在室温下表现了出良好的光电特性，可以满足使用要求。

但是，由于材料本身特性的限制，采用InGaAsP/InP材料制作的半导体激光器表现出一个明显的缺点，就是对温度特别敏感，在室温下工作得很好的器件，温度较高时激光输出会明显减小，甚至不能正常工作。

为此，人们在使用激光器时一般要给它加上半导体热电制冷器，使其能恒温工作，还要加上监控输出光强的光电探测器和光控电路使激光输出功率稳定，这使得整个激光模块的成本增加不少，体积
和重量也相应增加，同时由于零部件较多，可靠性也会受到影响。

还应注意到，由于半导体热电制冷器的耗电较大，一般要超过激光器本身的耗电，这使得使整个模块所消耗的电能也增加很多，为其供电的电源部分的体积和重量有可能超过激光模块本身。

对于较长距离的干线通信系统，由于系统的投资主要集中在线路方面，端机所占的成本份额较小，端机的工作环境也较好，这些缺点还可以忍受，但随着信息量的增长，特别是光纤到户目标的提出，半导体激光器将直接面对数以亿计的个人用户。

要想构成一个能够双向通信的光纤节点，每户至少需要一个半导体激光器和一个光电探测器，这些器件往往有可能在较差的环境下工作，前述普通InGaAsP/InP半导体激光器的缺点将变得难以忍受。

因此，人们迫切希望发展出能在较宽的温度范围内正常工作，无需热电制冷和光控电路的半导体激光器，只有这样才能简化系统和降低成本，并保证所需的性能和足够的可靠性，迈出光纤到户的关键一步。

在半导体激光器中引入量子阱结构可以明显改善其温度特性。

采用先进的半导体材料外延生长工艺(如分子束外延生长工艺),将厚度仅为几十个原子层的半导体发光材料（作为量子阱）交替生长在光限制材料(作为量子势垒)之间，使其产生量子限制效应，可以使激光器在较低的电流驱动下就产生较强的激光，从而降低温度对器件性能的影响。

图1就表示出了量子阱的能带结构和发光过程。

图1. 量子阱的能带结构和发光过程示意图
量子阱结构还可同时改善激光器的其他光电性能。

在量子阱中引入适当的应变，可以进一步改善器件的温度特性；而在量子势垒材料中引入与量子阱材料中类型相反的应变，可以补偿应变对材料生长质量带来的不利影响。

综合以上这些措施，可以发展出适用于石英光纤波长范围，能在较高的温度下正常工作的半导体激光器。

显而易见，这样的半导体激光器将无需热电制冷器和光控电路，对工作环境温度也无严格要求，使每个终端的成本大大降低，能够直接面对未来高速光纤信息平台最末端的那些数以亿计的量大面广的用户。

波分复用半导体激光器和光电探测器
一根光纤的可用带宽达到40THz以上，而一路光纤如只用来传输一路光信号，目前所能利用的带宽仅在几十GHz量级，只利用了其千分之一的传输能力。

将光纤的可用带宽范围(如1300～1650nm)象无线电频率一样划分成许多个不同波长的频道，在每个频道上互不干扰地传输一路光信号，对光波（波长为微米级的无线电波）象对无线电波进行频分复用一样按波长进行复用，即为波分复用(WDM)。

采用波分复用技术无疑将大大提高光纤的传输能力，增加光纤网络的容量。

采用波分复用技术的具体优点主要体现在两个方面：对于长距离和超长距离的干线通信(如海底越洋光缆)系统而言，由于其投资巨大，而整个系统的投资主要集中在线路上(一般占总投资的95%以上),因此如何利用这些线路传输尽可能多的信息是人们首先考虑的问题。

波分复用技术能使人们在基本不增加线路投资的前提下成几倍几十倍地增加线路的传输能力。

对于通信距离较短的局部光纤网络以及高速光纤信息交换平台来说，波分复用技术除能增加传输能力外，还可以将不同波长的光纤频道用于不同的网络、不同的用户或者不同的服务种类，所有信息可以在同一根光纤上运行而互不相扰，人们也可以在光纤网络上随意选择所需的具有很大带宽的光纤频道，这无疑将使目前的信息网络产生一个革命性的变化。

当一根光纤只用于传输一路光信号时，对半导体激光器的发光波长可以不作严格要求，光电探测器也不需要对波长具有选择性，但如多路光信号一起传输，显然每路光信号的波长必须固定在所设定的频道上，不能占用其他频道，其波长也必须十分稳定；对于光电探测器，这时往往要求它对波长具有选择性，即能在不同波长的光信号中选择出所需要频道的光信号，这些在技术上实现起来具有相
当高的难度。

用于波分复用的半导体激光器，必须能够单频工作和具有相当高的频率稳定度，一般均采用高质量的分布反馈结构，即利用制作于激光器结构中的高质量光栅对波长的选择作用来严格限定激光器的发光波长。

在很多应用场合，还会要求半导体激光器的工作波长可以调谐并具有很高的稳定度，即同一个激光器能够稳定工作在不同的光纤频道上，这时往往需要采用多工作区的激光器结构或者外腔结构。

能同时产生不同波长的激光以用于不同的光纤频道的半导体激光器阵列也是波分复用技术中所需要的。

目前，光纤频道的间隔在200GHz(1.6nm)或100GHz(0.8nm),当采用密集波分复用(DWDM)方式时，频道间隔仅为50GHz(0.4nm)，这对激光器的材料生长和器件制作工艺都提出了极高的要求。

对于光电探测器，由于其本身对波长间隔很小的不同光纤频道不具有选择性，因此必须将其与光栅、光波导或光纤光栅滤波器等结合起来才能满足使用要求。

将光电探测器阵列与采用微机械加工方法制作的光栅滤波器进行单片集成，构成波分复用光电探测器阵列，是一个吸引人的目标。

目前，已有进行40路甚至更多复用的波分复用系统投入运行的报导，96路复用的系统正在发展之中，人们希望能在不久的将来在一根光纤上进行800路复用，以完全利用整个光纤的可用带宽。

光电子集成电路与光子集成电路
尽管光纤网络和光波复用技术可以极大地提高信息网络的运行容量，但目前最终用户面对的还是以电信号形式携载的信息，因此将光电器件与电子器件有机地结合起来进行光－电、电－光转换以及光、电信号和光电混合信号的处理等仍是系统所必需的。

目前分立的光电器件(如激光器、探测器、调制器等)和电子器件（信号放大电路、激光器驱动电路、信号处理电路等）都已达到了很高的水平，但将这两种不同类型的器件组合起来却受到一定限制，其中最主要的是互联分布参数的影响。

例如，将一个光电探测器与一个放大电路进行互联，器件引线的分布参数(电容、电感等)有可能超过器件本身的电容和电感，这就限制了它们的工作频率。

随着工作频率的不断提高，这种影响会显得越来越严重。

将光电器件和电子器件在同一块衬底上进行单片集成，构成所谓光电子集成电路(OEIC)，以减小互联分布参数的影响，并构成具有完整功能的集成模块，一直是人们努力追求的目标。

光电集成一方面可以提高了系统的工作频率(在2.5Gbit/s以上的系统
中，单片集成的优势是十分明显的),另一方面也可提高系统集成的可靠性，还带来降低系统集成成本和减小体积等一系列好处。

要将按不同原理进行工作的光电器件和电子器件进行单片集成，首先必须解决这两类器件的兼容性问题。

由于这两类器件无论在材料、外延生长结构还是器件工艺及封装结构方面都存在很大的差异，而这种差异有时往往很难调和，因此必须发展出相应的技术使其达到互相兼容。

在利用光信号构成高速信息交换平台的进一步发展中，人们还希望在许多信号处理的环节上直接对光信号进行处理和交换，以避免光－电、电－光转换这些容易引起瓶颈效应和干扰的环节，即构成所谓全光网络。

近年来构成全光网络所需的各种分立光学零部件已一步步地发展起来，而采用微电子和微机械方面许多可资利用的技术将这些光学零部件微型化，并使之能够单片集成到同一块衬底上，即构成所谓光子集成电路(PIC，或称光子集成回路)，前景无疑是十分诱人的。

目前人们还只是在将少数几种光子器件进行单片集成方面进行尝试，相信随着技术的进步，采用光子集成电路构成全光网络的目标是可以实现的。

照明和能源应用半导体光电器件方兴未艾
用于光通信的光电器件一般都工作在近红外波段，而要使半导体光电器件能发出能为我们看到的可见光波段的光，或者让它把太阳光的能量转变成电能作为我们的能源，就要用到禁带较宽的半导体材料。

目前人们已能用禁带较宽的半导体材料发出很亮的红光，也能用禁带更宽的材料发出橙、黄、绿、蓝等各种颜色的光。

采用半导体材料制成的发光器件可以有很高的发光效率，消耗较少的电能就能发出很亮的光，而且有很长的寿命。

这些发光器件已经在仪表指示灯，手机等设备的液晶屏幕和键盘照明和大型显示屏幕等方面得到了应用，并且开始用于汽车刹车灯、尾灯和转向灯和交通信号灯等。

一百多年前爱迪生发明的白炽灯泡在我们的生活中仍在广泛使用着，它的发光效率很低，大量的能量都变成热能白白浪费掉了，而且寿命只有几百小时，后来出现的荧光灯有了不少改进，效率明显提高，寿命也达到了几千小时，半导体发光器件有比白炽灯高得多的发光效率，消耗同样的电能时亮度可以比白炽灯高十倍以上，比荧光灯也要高两到三倍，寿命也比荧光灯更长，可以达到十万小时以上，但由于它只能发出单色的光，所以过去没有广泛地作为日常照明灯具使用。

现在由于宽禁带半导体材料的发展，半导体发光器件已经可以在紫外波段有很高的发光效率，这样采用和荧光灯一样的办法，用半导体发光器件发出的紫外光来激发荧光粉就可以发出很亮的白光来，这样就可以让半导体发光器件来为我们的日常生活照明了。

这样的灯泡消耗的电能很少，能节约大量的电力，而且一个灯泡可以用上几十年，这样的灯也可以用在汽车大光灯等强光照明场合。

图 2 中就是全部采用半导体照明和装饰的汽车及已经推向市场的采用半导体发光器件的白光灯泡等，这些产品目前虽然价格还很高，但是随着科技的进步将很快大量推广。

图2.
除照明之外能源领域也是半导体光电器件可以发挥重要作用的地方。

你也许已经知道，卫星和飞船都是靠太阳能电池为它们提供电力的，目前采用多种具有不同禁带宽度的半导体材料复合构成的半导体太阳能电池可以利用太阳光中不同颜色的光的能量，这样的太阳能电池的转换效率已经达到了30％以上，但这样的太阳能电池目前价铬还很高，只能在特殊场合使用。

人们也正在研究能更加完全地利用太阳光能量的电池，希望能达到50％以上的转换效率。

由于太阳能是我们取之不尽的能源，也是最清洁环保的能源，人们也希望在地球上能给多地使用高效的太阳能电池，图3 就是一幢采用太阳能供电的楼房。

由于采用了聚光式的结构，使用很小面积的高效太阳能电池也可以达到大面积采光的效果，但可以明显降低成本。

图3.
环保和医疗领域半导体光电器件大有可为
廿一世纪中人们将越来越重视生活的质量，环保和医疗也就成了大家关注的领域，在这些领域中半导体光电器件可以有那些作为呢？当半导体光电器件的波长进入更长的中红外波段(2-25微米)后，我们就可以用它们来精确地测量各种气体的含量，这对环境保护就有很大的用处。

每一种化学气体都对应着一系列特定的光吸收波长，就象是这种气体的指纹一样，气体在中红外波段的光吸收强度特别高，所以在这个波段上采用半导体光电器件可以测出含量很低的气体的浓度，如装修房屋后残留的甲醛、甲苯气体，空气中的二氧化硫气体等，而且可以马上得到测量结果。

这样的方法还可以用来进行医疗诊断，通过测量人们呼出的气体中的成分变化可以很快地判别病情及其变化情况，帮助医生采取适当的措施。

利用特定波长的激光可以透过人体组织或与病变组织发生作用的特点还可以采用半导体激光进行介入诊断和微创手术等。

前面已经说到，半导体材料发射或吸收光的波长取决于它的禁带宽度，而采用能带工程的方法就可以在半导体材料的导带或价带中产生出一些子能带，由于子能带间的宽度很小，利用电子在子能带间的跳跃就可以发射或吸收波长更长的光，使半导体光电器件在中红外波段也能很好地工作，图4就是利用电子在子能
带间跃迁发光的单极型激光器的示意图，把许多个单极型激光器结构串联起来，
就可以用一个电子发出许多个光子来，构成具有象瀑布一样结构的量子级联激光器。

要想利用材料的子能带，就需要对材料的结构进行精细的裁减，这就需要很精确的材料生长控制手段，现在人们已经可以使半导体材料按照预先设计好的结构生长，把几百甚至几千层极薄的半导体材料叠加在一起做成量子级联激光器，而控制精度要达到一个原子层。

图4.
回顾和展望半导体光电器件在我们生活中的应用，让我们再一次体会到科学和技术的魅力，也使我们认识到知识积累和思想创新的重要，更使我们对未来美好的生活充满了憧憬，青少年朋友们，让我们一起进入科学和技术的深山里寻找更加绚丽的花朵，为我们的明天增光添彩！
作者简介:
张永刚博士，中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室研究员，博士生导师，IEEE高级会员。

近廿年来一直从事化合物半导体光电子材料及器件的研发工作，负责和参与完成了包括国家攻关、863、国家重大基金等各类研究课题廿余项，曾作为访问学者多次赴德国、瑞典、美国等开展合作研究。

获中科院自然科学和科技进步二、三等奖共五次，上海市科技进步二等奖一次、三等奖二次,已发表学术论文八十余篇，申请国家发明专利5项。

1991年入选上海市青年科技启明星并获跟踪资助，1999年获国务院政府特殊津贴。