新型光电子材料

2019/8/41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2019/8/42一、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。2019/8/432.1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。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。二、光电信息功能材料研究新进展2019/8/44到2016年，Si基CMOS器件特征尺寸小到30nm,硅晶片直径将达450mm，我国与先进国家差距约8年！2001年国际半导体技术发展路线图关键材料和器件子专题2016450mm300mm200mm150mmSi晶片CMOS硅单晶2019/8/45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。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。2.1硅微电子技术发展趋势2019/8/46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。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。2.1硅微电子技术发展趋势2019/8/472.2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。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！2019/8/482.2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。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%。2019/8/49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！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。2.2硅基高效发光研究取得突破进展2019/8/4102.2硅基高效发光研究取得突破进展哈佛大学的XiangfenDuan等研制成功硅基N-CdS/P-Si纳米线电驱动激光器.N-CdSNW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。2019/8/4112.2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。2019/8/412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。2.2硅基高效发光研究取得突破进展2019/8/4132.3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。2019/8/414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）。2.3量子级联激光材料与器件研究取得进展2019/8/415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。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。2.4宽带隙半导体材料与器件2019/8/416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。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GaNHEMT的功率密度已达到32W/mm；Fujitsu研制出的GaNHEMT放大器输出功率达174W，电压63V。2.4宽带隙半导体材料与器件2019/8/417II-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。2.4宽带隙半导体材料与器件2019/8/418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。2.4宽带隙半导体材料与器件2019/8/419III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，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。2.4宽带隙半导体材料与器件2019/8/4202.5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。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。2019/8/421以量子点结构为有源区的量子点激光器、长波长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%。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。2.5纳米半导体材料与量子器件2019/8/422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50nm的EB光刻技术使两个量子点连接起来，每个QD的直径为180nm,可容纳20-40个电子。通过控制每个QD中电子的数目和探测相关电子的自旋，可作为量子计算机的基元。2.5纳米半导体材料与量子器件2019/8/423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。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。半导体量子线材料和器件2.5纳米半导体材料与量子器件2019/8/42410nm（110）（1-10）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）。2019/8/425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。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LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2/Si和InAs/InP量子线超晶格结构的生长制备方面也取得了重要进展。半导体氧化物纳米线（带）研究取得进展2.5纳米半导体材料与量子器件2019/8/426多种纳米线、纳米带材料例举（一）2.5纳米半导体材料与量子器件2019/8/427多种纳米线、纳米带材料例举（二）2.5纳米半导体材料与量子器件2019/8/428美国哈佛大学的Gudi