新型光电子材料教材课程

半导体纳米线、带是一个理想的材料体系
，可以用来研究载流子维度受限的输运现象 和基于它的功能器件制造。
2020/10/23
23
2.5 纳米半导体材料与量子器件
中科院半导体材料科学重点实验室研制的 InP基InAs/InAlAs量子线超晶格TEM(110)截 面像（下图上），(1-10)截面像（下图左）,室 温偏振光致发光图（下图右）。
• 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。
2020/10/23
6
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。
2020/10/23
19
2.5 纳米（低维）半导体材料与量子器件
• 纳米（低维）半导体材料，通常是指除体材料之
外的二维超晶格、量子阱材料，一维量子线和零 维量子点材料，是自然界不存在的人工设计、制 造的新型半导体材料。MBE、MOCVD技术和微 细加工技术的发展与应用，为实现纳米半导体材 料生长、制备和量子器件的研制创造了条件。
2
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。
究的进展不大。
• ZnO基宽禁带半导体材料以其很高的激子
激活能（60mev）及其在蓝紫光电子器件 方面的应用前景受到关注。ZnO 纳米线在 光泵下产生受激发射的实验结果，引起了广 泛的兴趣，已成为目前研究热点之一。
• 氧化物半导体材料的研究，有可能开辟研
制短波长发光材料的新途径。
2020/10/23
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
• 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。
2020/10/23
9
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。
312K，单模连续输出功率3mW。量子级联
激光器的工作波长已覆盖近红外到近远红外
波段（3-70 微米）。
2020/10/23
14
2.4 宽带隙半导体材料与器件
• 第三代（高温、宽带隙）半导体材和器件，
主要指的是III族氮化物，碳化硅（SiC），氧化 锌（ZnO）和金刚石等，它们不仅是研制高频 大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件、电 路的理想材料，而且III族氮化物和ZnO等还是 优异的短波长光电子材料。
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。
2020/10/23
3
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。
垂直腔表面发射激光器和量子点光放大器等的研 制取得了长足进步。
• 继2000年大功率In(Ga)As/GaAs量子点激光器
的单管室温连续输出功率高达3.6-4W后，2002 年在大功率亚单层量子点激光器研制方面又取得 重要进展，单管室温连续输出功率高达6W，特征 温度150K；器件总转换效率高于50%。
香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体
物理系纳米中心的Lars Samuelson 教授领导的
小组，分别在SiO2/Si和InAs/InP量子线超晶格
结2构020/1的0/23 生长制备方面也取得了重要进展。
• 目前，以GaAs、InP为代表的晶格匹配或应变
补偿的超晶格、量子阱材料体系已发展得相当成
熟，并成功地用于制造微电子和光电子器件与电
路。目前发展的方向是研制光电集成芯片材料和
器件，以满足新一代光纤通信和智能光网络发展
的需求。
2020/10/23
20
2.5 纳米半导体材料与量子器件
• 以量子点结构为有源区的量子点激光器、长波长
• 美国量子点器件公司声称，10年后量子点器件
有望替代现有的量子阱器件，市场潜力巨大。
2020/10/23
21
2.5 纳米半导体材料与量子器件
基于量子点的单光子光源和它特有的长消相干时间， 有望在量子计算、量子密码通信方面获得应用。
普渡大学的研究人员，应用线宽为50 nm 的EB光刻技
术使两个量子点连接起来，每个QD 的直径为180nm,可
17
2.4 宽带隙半导体材料与器件
• 目前，除SiC单晶衬底材料，GaN基（蓝宝
石衬底）蓝光LED材料和器件已有商品出售 外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研 发阶段，不少影响这类材料发展的关键问题 如：
• 高质量GaN单晶衬底和ZnO单晶及薄膜制
备，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂等仍是 制约这些材料走向实用化的关键问题，国内 外虽已做了大量的研究，至今仍未取得重大 突破。
光电信息功能材料研究进展
赵昶 （北京石油化工学院）
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
• 另外，随着在大尺寸硅衬底上高质量
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！
2020/10/23
7
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。
可将工作波长移至1.3mm光通信的波段。
采用高In组分的InGaNAs在GaAs上形成量子点，
其PL发光波长可长达1.6mm。Fischer等人还报道了 1.5mm室温工作的InGaNAs/GaAs边沿发射激光器。
窄带隙III族氮化物的另一个重要的应用是用来制造
长波长垂直腔面发射激光器，并取得了重要进展。
2020/10/23
18
2.4 宽带隙半导体材料与器件
III族氮化物窄禁带化合物主要是指 GaAs1-xNx和 Ga1-yInyAs1-xNx等，具有大的带隙弯曲，直接带隙可 达近红外波段；因在光通信和提高太阳电池转换效率
等方面有重要的应用前景，而受到广泛的重视。
采用InGaNAs/GaNAs量子阱作激光器的有源区，
2020/10/23
1
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。
2020/10/23
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%。
2020/10/23
8
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！
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。
2020/10/23
12
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。
2020/10/23
13
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
9.1 微米的量子级联激光器的工作温度高达
容纳20-40个电子。通过控制每个QD中电子的数目和探
测20相20/1关0/23电子的自旋，可作为量子计算机的基元。
22
2.5 纳米半导体材料与量子器件
半导体量子线材料和器件
高度有序的半导体量子线的制备难度较大
，过去的二年里，量子线的生长制备和性质 研究取得了长足的进步。半导体量子线可用 应变自组装方法，VLS方法，在图形化衬底 上和通过精细加工的方法等获得。
2020/10/23
10
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。
2020/10/23
11
2.2 硅基高效发光研究取得突破进展
• 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。
2020/Biblioteka Baidu0/23
5
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。
• GaN基高温、高功率、高频电子器件研
制取得重要进展。2003年美国CREE公司研 制出的GaN HEMT的功率密度已达到32 W/mm；Fujitsu研制出的GaN HEMT 放 大器输出功率达174W，电压63V。
2020/10/23
16
2.4 宽带隙半导体材料与器件
II-VI族宽带隙半导体材料与器件 • (Zn,Mg,Cd)X(S,Se,Te)1-X宽带隙材料研
• 在通信、汽车、航空、航天、石油开采、全
色大屏幕显示、全固态白光照明、超高密度光存
储读写光源和海底光通信以及国防等方面有着广
泛的应用前景，是目前国际高技术研发的重点领
域。
2020/10/23
15
2.4 宽带隙半导体材料与器件
• 半导体固态光源的广泛应用，将触发照
明光源的革命！目前GaN基高功率LED的 流明效率为50lm/瓦（小芯片为70lm/瓦） 的GaN基白光LED已研制成功；但体积仅 为白炽灯的 1% 和功耗的1/3。
10nm （110）
（1-10）
2020/10/23
24
2.5 纳米半导体材料与量子器件
半导体氧化物纳米线（带）研究取得进展
乔治亚理工大学王中林教授领导的小组，基于
无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发 技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和 Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带。这些原生 的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎 无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度 为20-300nm，宽厚比为5-10，长度可达数毫米 。