半導(dǎo)體光電技術(shù)精選(九篇)
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第1篇：半導(dǎo)體光電技術(shù)范文
關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器，閉環(huán)控制，自動(dòng)溫度控制
一、半導(dǎo)體激光器穩(wěn)恒控制
對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行控制，常采用自動(dòng)控制的方法，其包括自動(dòng)電流控制（ACC）、自動(dòng)功率控制（APC）、自動(dòng)溫度控制（ATC）、電壓恒定控制（AVC）。
自動(dòng)電流控制（ACC）是對(duì)半導(dǎo)體激光器的注入電流進(jìn)行穩(wěn)恒控制的一種控制方式。即通過(guò)電流反饋控制回路，來(lái)獲得最低的電流偏差。當(dāng)要求驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定時(shí)，常采用ACC工作模式。
自動(dòng)功率控制（APC）是對(duì)半導(dǎo)體激光器的輸出光功率進(jìn)行穩(wěn)恒控制的一種控制方式。即當(dāng)LD工作時(shí)， PD將接收的部分光功率轉(zhuǎn)化為監(jiān)測(cè)電流，該電流與PD接收到的光功率成正比。監(jiān)測(cè)電流經(jīng)過(guò)電流/電壓轉(zhuǎn)換后，通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)與設(shè)定值進(jìn)行比較，形成閉環(huán)負(fù)反饋控制。
自動(dòng)溫度控制（ATC）是在對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行控制時(shí)保證其溫度恒定不變。
電壓恒定控制（AVC）是在對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行控制時(shí)保證其驅(qū)動(dòng)電壓恒定不變。
通過(guò)上述分析可以看出，ACC、APC方式適用于帶有溫度調(diào)節(jié)的半導(dǎo)體激光器，配合ATC控制方式，會(huì)產(chǎn)生很好的效果。一般情況下，激光器的光電轉(zhuǎn)換效率隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，以此APC控制精度優(yōu)于ACC。當(dāng)要求LD的驅(qū)動(dòng)電壓恒定時(shí)，采用AVC模式[1] 。
鑒于以上分析本文采用APC和ATC控制方式相結(jié)合驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器。
二、半導(dǎo)體激光器自動(dòng)功率控制（APC）原理
為方便功率的控制，通常半導(dǎo)體激光器內(nèi)部將半導(dǎo)體激光器與光電二極管集成在一起，裝在同一管芯內(nèi)。PD感應(yīng)的光電流很?。ㄒ话銥閹装傥玻虼?，對(duì)光電流檢測(cè)器的靈敏度和精度要求很高。檢測(cè)器的輸出信號(hào)反饋回單片機(jī)系統(tǒng)并通過(guò)輸入端控制電流驅(qū)動(dòng)模塊調(diào)整輸出光功率，一般將驅(qū)動(dòng)模塊與功率控制模塊統(tǒng)一考慮[2] 。
自動(dòng)功率控制原理框圖如1-1所示。
圖1-1自動(dòng)功率控制原理框圖
采用背向光反饋?zhàn)詣?dòng)偏置控制方式，即用半導(dǎo)體激光器組件中的光電二極管檢測(cè)激光器背向輸出光功率。因?yàn)楸诚蜉敵龉夤β誓芨櫱跋蜉敵龉夤β实淖兓?，通過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)就可以調(diào)節(jié)激光器的工作電流，達(dá)到輸出穩(wěn)定光功率的目的。檢測(cè)光電二極管的輸出光電流，然后經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換及前置放大電路，主放大電路以及濾波電路，A/D轉(zhuǎn)換以后進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)ADuC836單片機(jī)處理以后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路反饋回恒流源電路，控制恒流值的大小，從而控制半導(dǎo)體激光器的光功率，達(dá)到穩(wěn)定光功率的目的。
正常狀態(tài)下，半導(dǎo)體激光器工作在設(shè)定點(diǎn)，流過(guò)其驅(qū)動(dòng)電流I與其輸出光功率處于穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)LD因某種原因功率增大時(shí)，耦合至PD的光電流也按比例增大；當(dāng)LD光功率降低時(shí)，PD的光電流相應(yīng)減小。監(jiān)測(cè)PD輸出光電流的變化控制LD的注入電流，當(dāng)輸出光電流減小時(shí)，通過(guò)單片機(jī)控制增大LD的注入電流，以保證輸出功率的穩(wěn)定；反之，若輸出光電流增大時(shí)，則降低LD的注入電流。
自動(dòng)功率控制是以穩(wěn)定輸出功率為目的，以輸出光功率作為反饋信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)電流源，以消除溫度和浪涌等因素造成的輸出功率的不穩(wěn)定。
入射光強(qiáng)Pin與光電流Im的關(guān)系如公式（1-1）所示[3]：
式中R：光電二極管的響應(yīng)度，可由所使用的半導(dǎo)體激光器組件參數(shù)求得。
三、半導(dǎo)體激光器自動(dòng)溫度控制（ATC）原理
溫度是LD性能惡化、壽命減少的主要因素，溫度升高使輸出功率下降，并且影響波長(zhǎng)的穩(wěn)定性[4]。目前已經(jīng)提出了很多種半導(dǎo)體激光器溫控電路，采用模擬技術(shù)和數(shù)字技術(shù)，但高精度溫度控制并不是一件容易實(shí)現(xiàn)的事情。本文在軟件上采用PID（Proportion，Integrator，Differentiator）控制技術(shù)及模糊控制作為核心，以減少靜態(tài)誤差、提高控制精度。
自動(dòng)溫度控制（ATC）電路系統(tǒng)原理框圖如圖1-2所示。
圖1-2自動(dòng)溫度控制原理框圖
自動(dòng)溫度控制（ATC）系統(tǒng)包括：采樣部分、轉(zhuǎn)換部分、單片機(jī)系統(tǒng)部分和制冷控制部分[9]。半導(dǎo)體激光器工作時(shí)，隨時(shí)間的推移其溫度會(huì)逐漸升高，測(cè)溫傳感器將溫度變化的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)，由溫度—電壓轉(zhuǎn)換電路（T/V）將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)以便后續(xù)處理，儀表運(yùn)算放大電路是將電壓信號(hào)進(jìn)行高精度放大以利于A/D轉(zhuǎn)換，由于本文所選的單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換器，可直接將代表溫度的信號(hào)從A/D轉(zhuǎn)換模擬通道輸入到單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)PID算法處理后由輸出端口輸出數(shù)字控制信號(hào)到D/A轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換的模擬控制信號(hào)就可以控制半導(dǎo)體制冷器的驅(qū)動(dòng)電路，達(dá)到控制半導(dǎo)體制冷器的電流及制冷功率，從而保證半導(dǎo)體激光器溫度恒定。
溫度傳感器采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其工作原理是將溫度的變化轉(zhuǎn)化為自身電阻的變化。因此，測(cè)溫的精度取決于這個(gè)電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓變化過(guò)程的精度。將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化常采用電橋方法，并用儀表運(yùn)算放大電路保證信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸?？刂瞥绦虿捎肞ID控制算法控制帕耳帖的電流，來(lái)控制帕耳帖的制冷量，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的恒溫度控制。自動(dòng)溫度控制電路通過(guò)改變半導(dǎo)體制冷器上的電流大小和方向，對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行加熱或制冷，來(lái)控制其溫度，使功率穩(wěn)定輸出。當(dāng)半導(dǎo)體激光器溫度升高時(shí)，制冷器制冷，其溫度下降；當(dāng)半導(dǎo)體激光器溫度降低時(shí)，制冷器加熱，其溫度上升。
四、總結(jié)
本文主要介紹了半導(dǎo)體激光器的四種驅(qū)動(dòng)方式及各種方式的優(yōu)缺點(diǎn)；并詳細(xì)給出了本課題所采用的自動(dòng)功率控制、自動(dòng)溫度控制的工作原理。自動(dòng)功率控制是采用光電二極管的輸出電流，處理后與設(shè)定值比較來(lái)調(diào)整激光器的工作電流，從而實(shí)現(xiàn)激光器功率閉環(huán)控制。自動(dòng)溫度控制是通過(guò)熱敏電阻采集激光器的溫度，將得到的溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，從而控制TEC驅(qū)動(dòng)電路中電流的流向及大小。
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第2篇：半導(dǎo)體光電技術(shù)范文
在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導(dǎo)體材料;將砷化鎵、磷化銦、磷化鎵等稱為第二代半導(dǎo)體材料;而將寬禁帶eg2.3ev的氮化鎵、碳化硅和金剛石等稱為第三代半導(dǎo)體材料。本文介紹了三代半導(dǎo)體的性質(zhì)比較、應(yīng)用領(lǐng)域、國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀和進(jìn)展情況等。
關(guān)鍵詞
半導(dǎo)體材料;多晶硅;單晶硅;砷化鎵;氮化鎵
1前言
半導(dǎo)體材料是指電阻率在107Ωcm10-3Ωcm，界于金屬和絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要基礎(chǔ)材料[1]，支撐著通信、計(jì)算機(jī)、信息家電與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。電子信息產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的是美國(guó)和日本，其2002年的銷售收入分別為3189億美元和2320億美元[2]。近幾年來(lái)，我國(guó)電子信息產(chǎn)品以舉世矚目的速度發(fā)展，2002年銷售收入以1.4億人民幣居全球第3位，比上年增長(zhǎng)20，產(chǎn)業(yè)規(guī)模是1997年的2.5倍，居國(guó)內(nèi)各工業(yè)部門首位[3]。半導(dǎo)體材料及應(yīng)用已成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志。
半導(dǎo)體材料的種類繁多，按化學(xué)組成分為元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體和固溶體半導(dǎo)體;按組成元素分為一元、二元、三元、多元等;按晶態(tài)可分為多晶、單晶和非晶;按應(yīng)用方式可分為體材料和薄膜材料。大部分半導(dǎo)體材料單晶制片后直接用于制造半導(dǎo)體材料，這些稱為“體材料”;相對(duì)應(yīng)的“薄膜材料”是在半導(dǎo)體材料或其它材料的襯底上生長(zhǎng)的，具有顯著減少“體材料”難以解決的固熔體偏析問(wèn)題、提高純度和晶體完整性、生長(zhǎng)異質(zhì)結(jié)，能用于制造三維電路等優(yōu)點(diǎn)。許多新型半導(dǎo)體器件是在薄膜上制成的，制備薄膜的技術(shù)也在不斷發(fā)展。薄膜材料有同質(zhì)外延薄膜、異質(zhì)外延薄膜、超晶格薄膜、非晶薄膜等。
在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導(dǎo)體材料;將砷化鎵、磷化銦、磷化鎵、砷化銦、砷化鋁及其合金等稱為第二代半導(dǎo)體材料;而將寬禁帶eg2.3ev的氮化鎵、碳化硅、硒化鋅和金剛石等稱為第三代半導(dǎo)體材料[4]。上述材料是目前主要應(yīng)用的半導(dǎo)體材料，三代半導(dǎo)體材料代表品種分別為硅、砷化鎵和氮化鎵。本文沿用此分類進(jìn)行介紹。
2主要半導(dǎo)體材料性質(zhì)及應(yīng)用
材料的物理性質(zhì)是產(chǎn)品應(yīng)用的基礎(chǔ)，表1列出了主要半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)及應(yīng)用情況[5]。表中禁帶寬度決定發(fā)射光的波長(zhǎng)，禁帶寬度越大發(fā)射光波長(zhǎng)越短藍(lán)光發(fā)射;禁帶寬度越小發(fā)射光波長(zhǎng)越長(zhǎng)。其它參數(shù)數(shù)值越高，半導(dǎo)體性能越好。電子遷移速率決定半導(dǎo)體低壓條件下的高頻工作性能，飽和速率決定半導(dǎo)體高壓條件下的高頻工作性能。
硅材料具有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、熱性能與機(jī)械性能優(yōu)良、易于生長(zhǎng)大尺寸高純度晶體等優(yōu)點(diǎn)，處在成熟的發(fā)展階段。目前，硅材料仍是電子信息產(chǎn)業(yè)最主要的基礎(chǔ)材料，95以上的半導(dǎo)體器件和99以上的集成電路ic是用硅材料制作的。在21世紀(jì)，可以預(yù)見(jiàn)它的主導(dǎo)和核心地位仍不會(huì)動(dòng)搖。但是硅材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻高功率器件上的應(yīng)用。
砷化鎵材料的電子遷移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高頻、高速和光電性能，并可在同一芯片同時(shí)處理光電信號(hào)，被公認(rèn)是新一代的通信用材料。隨著高速信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，砷化鎵成為繼硅之后發(fā)展最快、應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的半導(dǎo)體材料。同時(shí)，其在軍事電子系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，并占據(jù)不可取代的重要地位。
gan材料的禁帶寬度為硅材料的3倍多，其器件在大功率、高溫、高頻、高速和光電子應(yīng)用方面具有遠(yuǎn)比硅器件和砷化鎵器件更為優(yōu)良的特性，可制成藍(lán)綠光、紫外光的發(fā)光器件和探測(cè)器件。近年來(lái)取得了很大進(jìn)展，并開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。與制造技術(shù)非常成熟和制造成本相對(duì)較低的硅半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料目前面臨的最主要挑戰(zhàn)是發(fā)展適合gan薄膜生長(zhǎng)的低成本襯底材料和大尺寸的gan體單晶生長(zhǎng)工藝。
主要半導(dǎo)體材料的用途如表2所示?？梢灶A(yù)見(jiàn)以硅材料為主體、gaas半導(dǎo)體材料及新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料共同發(fā)展將成為集成電路及半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流。
3半導(dǎo)體材料的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
3.1半導(dǎo)體硅材料
3.1.1多晶硅
多晶硅是制備單晶硅和太陽(yáng)能電池的原料，主要生產(chǎn)方法為改良西門子法。目前全世界每年消耗約18000t25000t半導(dǎo)體級(jí)多晶硅。2001年全球多晶硅產(chǎn)能為23900t，生產(chǎn)高度集中于美、日、德3國(guó)。美國(guó)先進(jìn)硅公司和哈姆洛克公司產(chǎn)能均達(dá)6000t/a，德國(guó)瓦克化學(xué)公司和日本德山曹達(dá)公司產(chǎn)能超過(guò)3000t/a，日本三菱高純硅公司、美國(guó)memc公司和三菱多晶硅公司產(chǎn)能超過(guò)1000t/a，絕大多數(shù)世界市場(chǎng)由上述7家公司占有。2000年全球多晶硅需求為22000t，達(dá)到峰值，隨后全球半導(dǎo)體市場(chǎng)滑坡;2001年多晶硅實(shí)際產(chǎn)量為17900t，為產(chǎn)能的75左右。全球多晶硅市場(chǎng)供大于求，隨著半導(dǎo)體市場(chǎng)的恢復(fù)和太陽(yáng)能用多晶硅的增長(zhǎng)，多晶硅供需將逐步平衡。
我國(guó)多晶硅嚴(yán)重短缺。我國(guó)多晶硅工業(yè)起步于50年代，60年代實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。由于技術(shù)水平低、生產(chǎn)規(guī)模太小、環(huán)境污染嚴(yán)重、生產(chǎn)成本高，目前只剩下峨嵋半導(dǎo)體材料廠和洛陽(yáng)單晶硅廠2個(gè)廠家生產(chǎn)多晶硅。2001年生產(chǎn)量為80t[7]，僅占世界產(chǎn)量的0.4，與當(dāng)今信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和多晶硅的市場(chǎng)需求急劇增加極不協(xié)調(diào)。我國(guó)這種多晶硅供不應(yīng)求的局面還將持續(xù)下去。據(jù)專家預(yù)測(cè)，2005年國(guó)內(nèi)多晶硅年需求量約為756t，2010年為1302t。
峨嵋半導(dǎo)體材料廠和洛陽(yáng)單晶硅廠1999年多晶硅生產(chǎn)能力分別為60t/a和20t/a。峨嵋半導(dǎo)體材料廠1998年建成的100t/a規(guī)模的多晶硅工業(yè)性生產(chǎn)示范線，提高了各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，使我國(guó)擁有了多晶硅生產(chǎn)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該廠正在積極進(jìn)行1000t/a多晶硅項(xiàng)目建設(shè)的前期工作。洛陽(yáng)單晶硅廠擬將多晶硅產(chǎn)量擴(kuò)建至300t/a，目前處在可行性研究階段。
3.1.2單晶硅
生產(chǎn)單晶硅的工藝主要采用直拉法cz、磁場(chǎng)直拉法mcz、區(qū)熔法fz以及雙坩鍋拉晶法。硅晶片屬于資金密集型和技術(shù)密集型行業(yè)，在國(guó)際市場(chǎng)上產(chǎn)業(yè)相對(duì)成熟，市場(chǎng)進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展期，生產(chǎn)集中在少數(shù)幾家大公司，小型公司已經(jīng)很難插手其中。
目前國(guó)際市場(chǎng)單晶硅產(chǎn)量排名前5位的公司分別是日本信越化學(xué)公司、德瓦克化學(xué)公司、日本住友金屬公司、美國(guó)memc公司和日本三菱材料公司。這5家公司2000年硅晶片的銷售總額為51.47億元，占全球銷售額的70.9，其中的3家日本公司占據(jù)了市場(chǎng)份額的46.1，表明日本在全球硅晶片行業(yè)中占據(jù)了主導(dǎo)地位[8]。
集成電路高集成度、微型化和低成本的要求對(duì)半導(dǎo)體單晶材料的電阻率均勻性、金屬雜質(zhì)含量、微缺陷、晶片平整度、表面潔凈度等提出了更加苛刻的要求詳見(jiàn)文獻(xiàn)[8]，晶片大尺寸和高質(zhì)量成為必然趨勢(shì)。目前全球主流硅晶片已由直徑8英寸逐漸過(guò)渡到12英寸晶片，研制水平達(dá)到16英寸。
我國(guó)單晶硅技術(shù)及產(chǎn)業(yè)與國(guó)外差距很大，主要產(chǎn)品為6英寸以下，8英寸少量生產(chǎn)，12英寸開(kāi)始研制。隨著半導(dǎo)體分立元件和硅光電池用低檔和廉價(jià)硅材料需求的增加，我國(guó)單晶硅產(chǎn)量逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001年我國(guó)半導(dǎo)體硅材料的銷售額達(dá)9.06億元，年均增長(zhǎng)26.4。單晶硅產(chǎn)量為584t，拋光片產(chǎn)量5183萬(wàn)平方英寸，主要規(guī)格為3英寸6英寸，6英寸正片已供應(yīng)集成電路企業(yè)，8英寸主要用作陪片。單晶硅出口比重大，出口額為4648萬(wàn)美元，占總銷售額的42.6，較2000年增長(zhǎng)了5.3[7]。目前，國(guó)外8英寸ic生產(chǎn)線正向我國(guó)戰(zhàn)略性移動(dòng)，我國(guó)新建和在建的f8英寸ic生產(chǎn)線有近10條之多，對(duì)大直徑高質(zhì)量的硅晶片需求十分強(qiáng)勁，而國(guó)內(nèi)供給明顯不足，基本依賴進(jìn)口，我國(guó)硅晶片的技術(shù)差距和結(jié)構(gòu)不合理可見(jiàn)一斑。在現(xiàn)有形勢(shì)和優(yōu)勢(shì)面前發(fā)展我國(guó)的硅單晶和ic技術(shù)面臨著巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
我國(guó)硅晶片生產(chǎn)企業(yè)主要有北京有研硅股、浙大海納公司、洛陽(yáng)單晶硅廠、上海晶華電子、浙江硅峰電子公司和河北寧晉單晶硅基地等。有研硅股在大直徑硅單晶的研制方面一直居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，先后研制出我國(guó)第一根6英寸、8英寸和12英寸硅單晶，單晶硅在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率為40。2000年建成國(guó)內(nèi)第一條可滿足0.25μm線寬集成電路要求的8英寸硅單晶拋光片生產(chǎn)線;在北京市林河工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)建設(shè)了區(qū)熔硅單晶生產(chǎn)基地，一期工程計(jì)劃投資1.8億元，年產(chǎn)25t區(qū)熔硅和40t重?fù)缴楣鑶尉В?jì)劃2003年6月底完工;同時(shí)承擔(dān)了投資達(dá)1.25億元的863項(xiàng)目重中之重課題“12英寸硅單晶拋光片的研制”。浙大海納主要從事單晶硅、半導(dǎo)體器件的開(kāi)發(fā)、制造及自動(dòng)化控制系統(tǒng)和儀器儀表開(kāi)發(fā)，近幾年實(shí)現(xiàn)了高成長(zhǎng)性的高速發(fā)展。
3.2砷化鎵材料
用于大量生產(chǎn)砷化鎵晶體的方法是傳統(tǒng)的lec法液封直拉法和hb法水平舟生產(chǎn)法。國(guó)外開(kāi)發(fā)了兼具以上2種方法優(yōu)點(diǎn)的vgf法垂直梯度凝固法、vb法垂直布里支曼法和vcz法蒸氣壓控制直拉法，成功制備出4英寸6英寸大直徑gaas單晶。各種方法比較詳見(jiàn)表3。
移動(dòng)電話用電子器件和光電器件市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的要求，使全球砷化鎵晶片市場(chǎng)以30的年增長(zhǎng)率迅速形成數(shù)十億美元的大市場(chǎng)，預(yù)計(jì)未來(lái)20年砷化鎵市場(chǎng)都具有高增長(zhǎng)性。日本是最大的生產(chǎn)國(guó)和輸出國(guó)，占世界市場(chǎng)的7080;美國(guó)在1999年成功地建成了3條6英寸砷化鎵生產(chǎn)線，在砷化鎵生產(chǎn)技術(shù)上領(lǐng)先一步。日本住友電工是世界最大的砷化鎵生產(chǎn)和銷售商，年產(chǎn)gaas單晶30t。美國(guó)axt公司是世界最大的vgf
gaas材料生產(chǎn)商[8]。世界gaas單晶主要生產(chǎn)商情況見(jiàn)表4。國(guó)際上砷化鎵市場(chǎng)需求以4英寸單晶材料為主，而6英寸單晶材料產(chǎn)量和市場(chǎng)需求快速增加，已占據(jù)35以上的市場(chǎng)份額。研制和小批量生產(chǎn)水平達(dá)到8英寸。
我國(guó)gaas材料單晶以2英寸3英寸為主，
4英寸處在產(chǎn)業(yè)化前期，研制水平達(dá)6英寸。目前4英寸以上晶片及集成電路gaas晶片主要依賴進(jìn)口。砷化鎵生產(chǎn)主要原材料為砷和鎵。雖然我國(guó)是砷和鎵的資源大國(guó)，但僅能生產(chǎn)品位較低的砷、鎵材料6n以下純度，主要用于生產(chǎn)光電子器件。集成電路用砷化鎵材料的砷和鎵原料要求達(dá)7n，基本靠進(jìn)口解決。
國(guó)內(nèi)gaas材料主要生產(chǎn)單位為中科鎵英、有研硅股、信息產(chǎn)業(yè)部46所、55所等。主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手來(lái)自國(guó)外。中科鎵英2001年起計(jì)劃投入近2億資金進(jìn)行砷化鎵材料的產(chǎn)業(yè)化，初期計(jì)劃規(guī)模為4英寸6英寸砷化鎵單晶晶片5萬(wàn)片8萬(wàn)片，4英寸6英寸分子束外延砷化鎵基材料2萬(wàn)片3萬(wàn)片，目前該項(xiàng)目仍在建設(shè)期。目前國(guó)內(nèi)砷化鎵材料主要由有研硅股供應(yīng)，2002年銷售gaas晶片8萬(wàn)片。我國(guó)在努力縮小gaas技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模的同時(shí)，應(yīng)重視具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，發(fā)展我國(guó)的砷化鎵產(chǎn)業(yè)。
3.3氮化鎵材料
gan半導(dǎo)體材料的商業(yè)應(yīng)用研究始于1970年，其在高頻和高溫條件下能夠激發(fā)藍(lán)光的特性一開(kāi)始就吸引了半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)人員的極大興趣。但gan的生長(zhǎng)技術(shù)和器件制造工藝直到近幾年才取得了商業(yè)應(yīng)用的實(shí)質(zhì)進(jìn)步和突破。由于gan半導(dǎo)體器件在光電子器件和光子器件領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景，其廣泛應(yīng)用預(yù)示著光電信息乃至光子信息時(shí)代的來(lái)臨。
2000年9月美國(guó)kyma公司利用aln作襯底，開(kāi)發(fā)出2英寸和4英寸gan新工藝;2001年1月美國(guó)nitronex公司在4英寸硅襯底上制造gan基晶體管獲得成功;2001年8月臺(tái)灣powdec公司宣布將規(guī)模生產(chǎn)4英寸gan外延晶片。gan基器件和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方興未艾。目前進(jìn)入藍(lán)光激光器開(kāi)發(fā)的公司包括飛利浦、索尼、日立、施樂(lè)和惠普等。包括飛利浦、通用等光照及汽車行業(yè)的跨國(guó)公司正積極開(kāi)發(fā)白光照明和汽車用gan基led發(fā)光二極管產(chǎn)品。涉足gan基電子器件開(kāi)發(fā)最為活躍的企業(yè)包括cree、rfmicrodevice以及nitronex等公司。
目前，日本、美國(guó)等國(guó)家紛紛進(jìn)行應(yīng)用于照明gan基白光led的產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)，計(jì)劃于2015年-2020年取代白熾燈和日光燈，引起新的照明革命。據(jù)美國(guó)市場(chǎng)調(diào)研公司strstegiesunlimited分析數(shù)據(jù)，2001年世界gan器件市場(chǎng)接近7億美元，還處于發(fā)展初期。該公司預(yù)測(cè)即使最保守發(fā)展，2009年世界gan器件市場(chǎng)將達(dá)到48億美元的銷售額。
因gan材料尚處于產(chǎn)業(yè)初期，我國(guó)與世界先進(jìn)水平差距相對(duì)較小。深圳方大集團(tuán)在國(guó)家“超級(jí)863計(jì)劃”項(xiàng)目支持下，2001年與中科院半導(dǎo)體等單位合作，首期投資8千萬(wàn)元進(jìn)行g(shù)an基藍(lán)光led產(chǎn)業(yè)化工作，率先在我國(guó)實(shí)現(xiàn)氮化鎵基材料產(chǎn)業(yè)化并成功投放市場(chǎng)。方大公司已批量生產(chǎn)出高性能gan芯片，用于封裝成藍(lán)、綠、紫、白光led，成為我國(guó)第一家具有規(guī)模化研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)氮化鎵基半導(dǎo)體系列產(chǎn)品、并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的企業(yè)。中科院半導(dǎo)體所自主開(kāi)發(fā)的gan激光器2英寸外延片生產(chǎn)設(shè)備，打破了國(guó)外關(guān)鍵設(shè)備部件的封鎖。我國(guó)應(yīng)對(duì)大尺寸gan生長(zhǎng)技術(shù)、器件及設(shè)備繼續(xù)研究，爭(zhēng)取在gan等第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中占據(jù)一定市場(chǎng)份額和地位。
4結(jié)語(yǔ)
不可否認(rèn)，微電子時(shí)代將逐步過(guò)渡到光電子時(shí)代，最終發(fā)展到光子時(shí)代。預(yù)計(jì)到2010年或2014年，硅材料的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展將走向極限，第二代和第三代半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)將成為研究和發(fā)展的重點(diǎn)。我國(guó)政府決策部門、半導(dǎo)體科研單位和企業(yè)在現(xiàn)有的技術(shù)、市場(chǎng)和發(fā)展趨勢(shì)面前應(yīng)把握歷史機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)。
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第3篇：半導(dǎo)體光電技術(shù)范文
關(guān)鍵詞：光導(dǎo)光導(dǎo)開(kāi)關(guān)；皮秒；脈沖發(fā)生器
中圖分類號(hào)：TN782 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 (2012) 11-0000-02
準(zhǔn)確可靠的觸發(fā)是脈沖功率技術(shù)研究的重要內(nèi)容。隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，觸發(fā)源技術(shù)也日新月異，新型觸發(fā)源不僅要求快導(dǎo)通前沿、高重復(fù)頻率還要有高穩(wěn)定度。上世紀(jì)70年代在線性和非線性兩種模式下，它對(duì)控制光脈沖有很好的響應(yīng)，幾乎可以實(shí)現(xiàn)與光同步，它帶領(lǐng)著脈沖功率觸發(fā)技術(shù)走到了另一個(gè)時(shí)代。
一、光導(dǎo)開(kāi)光
光導(dǎo)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)（Photoconductive Semiconductor Switch，PCSS）是超快脈沖激光器和光電半導(dǎo)體相結(jié)合形成的新型器件，通過(guò)觸發(fā)光對(duì)半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率的控制實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的關(guān)斷和導(dǎo)通。PCSS具有響應(yīng)速度快（小于0.6ps），重復(fù)率高（GHz量級(jí)）、易于精確同步（觸發(fā)晃動(dòng)僅ps量級(jí)）、不易受電磁干擾（光電隔離）、耐高壓、寄生電感電容小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活等優(yōu)點(diǎn)。隨著研究的不斷深入，至今已能利用光導(dǎo)開(kāi)光技術(shù)研制太赫茲脈沖發(fā)生器，結(jié)合fs激光觸發(fā)，光導(dǎo)開(kāi)光可以產(chǎn)生高功率皮秒脈沖和脈寬在ps量級(jí)的電磁輻射，擁有從接近直流到THz級(jí)的超寬頻帶，為超寬帶雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。
GaAs光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)是由脈沖激光器與半絕緣GaAs相結(jié)合形成的器件，如圖1所示，基于內(nèi)光電效應(yīng)工作原理。
（一）光導(dǎo)開(kāi)光結(jié)構(gòu)
常見(jiàn)的光導(dǎo)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)有橫向結(jié)構(gòu)、平面結(jié)構(gòu)和相對(duì)電極結(jié)構(gòu)。根據(jù)光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)的偏置電場(chǎng)和觸發(fā)光脈沖的入射方向關(guān)系可將開(kāi)關(guān)分為橫向開(kāi)關(guān)和縱向開(kāi)關(guān)兩種基本結(jié)構(gòu)，如圖2所示。當(dāng)觸發(fā)光脈沖入射方向與開(kāi)關(guān)偏置電場(chǎng)方向相互垂直時(shí)，為橫向結(jié)構(gòu)的光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)。當(dāng)觸發(fā)光脈沖入射方向與開(kāi)關(guān)偏置電場(chǎng)方向相互平行時(shí)，為縱向結(jié)構(gòu)的光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)。
橫向光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)光作用區(qū)域面積大。無(wú)論光的吸收深度是幾微米還是幾百微米，所有光都被激活區(qū)吸收。在線性模式均勻光照條件下，開(kāi)關(guān)的峰值電流、上升時(shí)間和脈寬僅僅依賴于觸發(fā)光脈沖的幅值、脈寬、載流子復(fù)合時(shí)間和開(kāi)關(guān)所處電路結(jié)構(gòu)。橫向光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)是在工作時(shí)，由于偏置電場(chǎng)穿通開(kāi)關(guān)整個(gè)表面，從而使得開(kāi)關(guān)的表面擊穿場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)小于材料的本征擊穿強(qiáng)度。開(kāi)關(guān)常常會(huì)出現(xiàn)表面閃絡(luò)或沿面放電等現(xiàn)象，從而大大限制了開(kāi)關(guān)的耐壓能力和功率容量。
縱向結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)可以減少開(kāi)關(guān)表面電場(chǎng)，從而提高開(kāi)關(guān)的擊穿電壓。但這種開(kāi)關(guān)的主要缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)至少需要一個(gè)透明電極，而這種透明電極的制作工藝非常復(fù)雜。此外開(kāi)關(guān)芯片的吸收深度對(duì)開(kāi)關(guān)的瞬態(tài)特性有較大影響。
橫向開(kāi)關(guān)和縱向開(kāi)關(guān)各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體選用哪一種結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)，要根據(jù)開(kāi)關(guān)的具體應(yīng)有來(lái)決定。由于橫向光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)制作簡(jiǎn)單，有較大光照面積和電導(dǎo)通道，可以用較寬波長(zhǎng)范圍的光來(lái)觸發(fā)，因而在制作大功率光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)時(shí)主要采用橫向結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)。
（二）光導(dǎo)開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體材料
光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的發(fā)展與半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。在半導(dǎo)體材料的發(fā)展過(guò)程中，一般將以硅（Si）為代表的半導(dǎo)體材料稱為第一代半導(dǎo)體材料；將以砷化鎵（GaAs）為代表的化合物半導(dǎo)體稱為第二代半導(dǎo)體材料：將以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶化合物半導(dǎo)體稱為第三代半導(dǎo)體材料。與之相對(duì)應(yīng)，相繼出現(xiàn)了Si光導(dǎo)開(kāi)關(guān)、GaAs光導(dǎo)開(kāi)關(guān)和SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)。
Si光導(dǎo)開(kāi)關(guān)，由于Si禁帶寬度窄，載流子遷移率低等特點(diǎn)不適合制作超快大功率光導(dǎo)開(kāi)關(guān)；GaAs光導(dǎo)開(kāi)關(guān)，雖然GaAs的大暗態(tài)電阻率和寬禁帶有利于制作大功率器件，但由于GaAs熱導(dǎo)率低、抗高輻射性能較差，運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)熱奔和鎖定效應(yīng)，限制了GaAs光導(dǎo)開(kāi)關(guān)窄高溫、高重復(fù)速率、高功率和高輻射環(huán)境中的使用；SiC光導(dǎo)開(kāi)關(guān)可以將觸發(fā)光的能力大大降低，但其在高電壓下容易擊穿，在高重復(fù)頻率下容易出現(xiàn)熱擊穿，且只能工作在線性模式下。
二、皮秒脈沖源
項(xiàng)目主要任務(wù)就是研制一個(gè)高穩(wěn)定度快脈沖源裝置，該裝置的主要功能是：接到系統(tǒng)給出的觸發(fā)指令后，打開(kāi)電光開(kāi)關(guān)，輸出脈寬約為2ns的光脈沖，驅(qū)動(dòng)光導(dǎo)開(kāi)關(guān)輸出高壓脈沖信號(hào)。要求輸出的高壓脈沖信號(hào)前沿小于200ps，幅度為3～5kV，系統(tǒng)晃動(dòng)時(shí)間不大于250ps。
本方案的基本工作原理如圖3所示：利用高壓電源對(duì)儲(chǔ)能電容充電，充電完成后，激光器在接到觸發(fā)脈沖指令時(shí)，發(fā)出脈寬為2ns的光脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)光導(dǎo)開(kāi)關(guān)，儲(chǔ)能電容內(nèi)存儲(chǔ)的能量通過(guò)光導(dǎo)開(kāi)關(guān)釋放到取樣電阻上，輸出高壓脈沖信號(hào)。
本項(xiàng)目技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)主要在于兩個(gè)方面：a.主脈沖波形的質(zhì)量，包括主脈沖的峰值、脈寬、前后沿以及穩(wěn)定性；b.觸發(fā)脈沖至主脈沖1的時(shí)間間隔T1的穩(wěn)定性。為了獲得滿足技術(shù)指標(biāo)要求的主脈沖信號(hào)，主放電回路擬采用光導(dǎo)開(kāi)關(guān)對(duì)貯能元件進(jìn)行放電。由于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)具有高速導(dǎo)通和關(guān)斷、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，只要選擇合適的基本回路參數(shù)可以確保獲得高質(zhì)量的滿足指標(biāo)要求的主脈沖信號(hào)。電路基本參數(shù)仿真機(jī)波形如圖4、5、6所示。
三、結(jié)論
光導(dǎo)開(kāi)關(guān)在2ns激光脈沖控制下，輸出高壓脈沖與控制光脈沖響應(yīng)良好，上升時(shí)間169ps，脈寬2ns。利用光導(dǎo)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的皮秒脈沖發(fā)生器可以在重復(fù)頻率下工作，圖7為75kHz下高壓脈沖輸出波形。
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第4篇：半導(dǎo)體光電技術(shù)范文
[關(guān)鍵詞]環(huán)鄱陽(yáng)湖；南昌；LED產(chǎn)業(yè)
2006年12月中旬召開(kāi)的江西省第十二次黨代會(huì)上，江西省委、省政府提出了構(gòu)建“環(huán)鄱陽(yáng)湖經(jīng)濟(jì)圈”的發(fā)展戰(zhàn)略構(gòu)想，隨后江西省發(fā)展改革委員會(huì)出臺(tái)了《環(huán)鄱陽(yáng)湖經(jīng)濟(jì)圈規(guī)劃(2006～2010)》，這是江西策應(yīng)中部崛起戰(zhàn)略的重大舉措，也是繼中部湖北“武漢城市圈”、湖南“長(zhǎng)株潭城市群”、河南“中原城市群”、安徽“皖江城市帶”之后的第五大“經(jīng)濟(jì)圈”規(guī)劃。2008年“兩會(huì)”期間，江西代表團(tuán)又提出了建設(shè)“環(huán)鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)”的戰(zhàn)略構(gòu)想，積極爭(zhēng)取列入國(guó)家規(guī)劃，上升為國(guó)家的區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略。江西省省長(zhǎng)吳新雄指出，建立環(huán)鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)，是實(shí)現(xiàn)江西崛起新跨越的必然選擇，是爭(zhēng)取江西在全國(guó)區(qū)域發(fā)展格局中有利地位的戰(zhàn)略抉擇，必將對(duì)全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)又好又快發(fā)展產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用。鄱陽(yáng)湖是全國(guó)最大的淡水湖，是江西生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢(shì)的集中體現(xiàn)。如何利用生態(tài)這一優(yōu)勢(shì)，把握機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)“生態(tài)立省”和“加快發(fā)展”的統(tǒng)一，是擺在江西人民面前的重大課題。本文從現(xiàn)代光電產(chǎn)業(yè)基地建設(shè)的角度對(duì)環(huán)鄱陽(yáng)湖經(jīng)濟(jì)圈龍頭城市――南昌LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展問(wèn)題進(jìn)行探討。
一、環(huán)鄱陽(yáng)湖經(jīng)濟(jì)圈發(fā)展南昌LED產(chǎn)業(yè)的必要性
(一)LED的內(nèi)涵
LED(Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)是一種半導(dǎo)體材料制成的光電器件。作為一種新型的固態(tài)冷光源，它具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、啟動(dòng)時(shí)間短、結(jié)構(gòu)牢固、體積小、美化生活七大優(yōu)點(diǎn)，是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后又一次新的光源革命，被人們稱為第四代照明光源或綠色光源，也被公認(rèn)為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一。
(二)環(huán)鄱陽(yáng)湖經(jīng)濟(jì)圈發(fā)展南昌LED產(chǎn)業(yè)的重要意義
1.發(fā)展南昌LED產(chǎn)業(yè)有利于在環(huán)鄱陽(yáng)湖經(jīng)濟(jì)圈內(nèi)培養(yǎng)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)
為了節(jié)能減排，提倡使用綠色資源，近年來(lái)世界各主要發(fā)達(dá)國(guó)家相繼制定相應(yīng)的國(guó)家級(jí)LED發(fā)展計(jì)劃，加大研發(fā)力度，欲搶占半導(dǎo)體照明新興產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)。美國(guó)能源部曾經(jīng)預(yù)測(cè)，2008年，全球LED產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到74.99億美元(數(shù)據(jù)不包括LED應(yīng)用產(chǎn)業(yè))，年均增長(zhǎng)率近20％。到2010年，美國(guó)將有55％的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo)體燈所替代，每年節(jié)約電費(fèi)可達(dá)350億美元，預(yù)計(jì)到2015年，半導(dǎo)體燈將形成500～1000億美元的大產(chǎn)業(yè)。
我國(guó)是世界照明電器生產(chǎn)和出口大國(guó)之一，擁有巨大的照明工業(yè)和照明市場(chǎng)。經(jīng)過(guò)多年的快速發(fā)展，我國(guó)在LED領(lǐng)域已具備一定技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。目前中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成四大片區(qū)(珠三角、長(zhǎng)三角、福建江西地區(qū)、北方地區(qū))、七大基地(大連、上海、深圳、南昌、廈門、揚(yáng)州、石家莊)。
基于國(guó)內(nèi)外發(fā)展LED產(chǎn)業(yè)的背景下，環(huán)鄱陽(yáng)湖經(jīng)濟(jì)圈從自身?xiàng)l件出發(fā)，欲將南昌LED產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)成為圈內(nèi)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。一方面，LED照明是安全、健康的“綠色光源”，環(huán)保效果明顯，這一優(yōu)勢(shì)恰好與江西省“生態(tài)立省”的指導(dǎo)思想一致；另一方面，作為我國(guó)第一批半導(dǎo)體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地，南昌LED產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)良好、發(fā)展迅速。2008年，高新區(qū)LED產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過(guò)50億元，銷售收入連續(xù)五年進(jìn)入全國(guó)前五名。2012年前，南昌市將重點(diǎn)實(shí)施有關(guān)LED產(chǎn)業(yè)的12個(gè)重大工程和項(xiàng)目，這批項(xiàng)目總投資88億元，建成投產(chǎn)后可實(shí)現(xiàn)銷售收入100億元以上，遠(yuǎn)期規(guī)劃工程和項(xiàng)目3個(gè)，總投資超過(guò)200億元，預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)800億元。
2.發(fā)展南昌LED產(chǎn)業(yè)有利于環(huán)鄱陽(yáng)湖經(jīng)濟(jì)圈調(diào)整和優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)
全球照明目前以白熾燈為主，為了推廣節(jié)能、環(huán)保的照明新技術(shù)，各國(guó)將陸續(xù)禁用白熾燈。中國(guó)已經(jīng)出臺(tái)LED產(chǎn)品推廣補(bǔ)貼、LED研究資助、全國(guó)七大LED產(chǎn)業(yè)基地建設(shè)等宏觀政策，全面禁用白熾燈正提上立法日程。南昌市擁有深厚的LED產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，優(yōu)先發(fā)展LED產(chǎn)業(yè)可引導(dǎo)南昌大規(guī)模應(yīng)用LED照明技術(shù)及產(chǎn)品，以此更新節(jié)能環(huán)保照明的消費(fèi)理念，還可調(diào)整傳統(tǒng)照明產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快環(huán)湖區(qū)內(nèi)照明產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)升級(jí)。
3.發(fā)展南昌LED產(chǎn)業(yè)有利于帶動(dòng)環(huán)鄱陽(yáng)湖經(jīng)濟(jì)圈內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)涉及節(jié)能、環(huán)保、高技術(shù)、微電子、基礎(chǔ)裝備制造等諸多領(lǐng)域，發(fā)展半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)，對(duì)信息產(chǎn)業(yè)、汽車電子、原材料與裝備制造、消費(fèi)類電子、航空航天、太陽(yáng)能光伏以及整個(gè)光電子產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域均起到重要帶動(dòng)作用。特別是根據(jù)《環(huán)鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》的要求，欲以環(huán)湖中心城市為重點(diǎn)，建立航空產(chǎn)業(yè)基地及汽車、零部件生產(chǎn)基地等?？梢灶A(yù)計(jì)半導(dǎo)體照明的廣泛應(yīng)用，將顯著提高這些產(chǎn)品的附加值，加快各基地的落成，并且在巨大的市場(chǎng)需求拉動(dòng)下，發(fā)展半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)將帶動(dòng)我國(guó)原材料與裝備制造業(yè)的快速發(fā)展。
二、南昌LED產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及其存在的問(wèn)題
經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展，南昌市半導(dǎo)體發(fā)光材料與器件在全國(guó)已具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，LED產(chǎn)業(yè)已成為南昌市重點(diǎn)扶持產(chǎn)業(yè)之一。在研發(fā)方面，有教育部發(fā)光材料與器件工程研究中心和863(光電子領(lǐng)域)高技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化基地。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，外延材料、LED芯片、器件及應(yīng)用產(chǎn)品均實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。上游產(chǎn)業(yè)，晶能光電依托南昌大學(xué)開(kāi)發(fā)的硅襯底藍(lán)光LED技術(shù)打破了此前日本日亞公司壟斷藍(lán)寶石村底和美國(guó)Cree公司壟斷碳化硅襯底半導(dǎo)體照明技術(shù)的局面，形成了國(guó)際半導(dǎo)體照明上游技術(shù)的三足鼎立。借助這一優(yōu)勢(shì)，南昌市在上游技術(shù)上與北京、上海、廣州、深圳等地同處國(guó)內(nèi)第一梯隊(duì)；中游產(chǎn)業(yè)，南昌欣磊光電科技有限公司的LED芯片生產(chǎn)規(guī)模一直為全國(guó)(大陸)最大，聯(lián)創(chuàng)光電依托上游產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)，在南昌封裝產(chǎn)業(yè)中也占據(jù)重要地位；下游產(chǎn)業(yè)，LED應(yīng)用領(lǐng)域已初具規(guī)模，劃分為L(zhǎng)ED器件、LED顯示屏、LED液晶背光源和LED照明等四大應(yīng)用產(chǎn)品集群。總體來(lái)看，應(yīng)用產(chǎn)品的技術(shù)力量和企業(yè)規(guī)模還相當(dāng)薄弱，產(chǎn)品附加值低。
南昌作為我國(guó)半導(dǎo)體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地之一，國(guó)家“十城萬(wàn)盞”半導(dǎo)體照明應(yīng)用工程試點(diǎn)城市，在國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)中占有重要地位。在南昌高新區(qū)內(nèi)，具有一定規(guī)模的半導(dǎo)體照明企業(yè)15家，從業(yè)人員3200余人，1／3為工程技術(shù)人員，年產(chǎn)銷半導(dǎo)體發(fā)光產(chǎn)品100多億套，占全國(guó)市場(chǎng)25％以上。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，南昌已初步形成以晶能光電、聯(lián)創(chuàng)光電等公司的外延片產(chǎn)品為上游產(chǎn)業(yè)，晶能光電、欣磊光電等公司的芯片制造為中游產(chǎn)業(yè)，聯(lián)創(chuàng)光電、聯(lián)眾電子、永興電子等的芯片封裝和聯(lián)創(chuàng)博雅、恒明科技、宇欣科技等的光源、燈具、LED顯示屏、聯(lián)創(chuàng)致光的手機(jī)背光源等為下游產(chǎn)業(yè)，宏森高科光電子的LED支架為配套產(chǎn)業(yè)的一個(gè)較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，形成了互有分工、關(guān)聯(lián)配套的企業(yè)集群；分工涉及LED襯底硅材料生產(chǎn)、專用切割刀
具、外延片、芯片制造、芯片封裝、LED顯示屏、手機(jī)背光源及照明等各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。2008年，高新區(qū)LED產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過(guò)50億元，銷售收入連續(xù)五年進(jìn)入全國(guó)前五名，已經(jīng)產(chǎn)生了一定的產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)。
三、南昌市LED產(chǎn)業(yè)存在的問(wèn)題
1.LED產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展不完善
首先南昌國(guó)家高新區(qū)雖然形成了完整的LED產(chǎn)業(yè)鏈，但是受南昌及周邊城市工業(yè)基礎(chǔ)較薄弱的影響，產(chǎn)業(yè)配套能力較弱，和其他國(guó)家半導(dǎo)體照明基地相比有一定差距。其次公共服務(wù)體系的不完善制約了南昌國(guó)家高新區(qū)LED產(chǎn)業(yè)集群內(nèi)中小企業(yè)的發(fā)展。再次從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，存在上中下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展不均衡，應(yīng)用產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化能力弱的問(wèn)題。特別是LED照明光源、燈具等應(yīng)用產(chǎn)品，始終不能獨(dú)立形成大規(guī)模應(yīng)用產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的能力。
2.LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)還有待創(chuàng)新
我市擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的硅襯底藍(lán)光LED芯片與器件，還存在亮度不夠等困難；龍頭企業(yè)缺乏，與歐美和臺(tái)灣地區(qū)的大公司相比，不論是技術(shù)力量還是企業(yè)規(guī)模都相當(dāng)薄弱；其他企業(yè)產(chǎn)品檔次和附加值低，以中低端產(chǎn)品為主，高端產(chǎn)品少。
3.LED產(chǎn)業(yè)化專門人才缺乏，人才培養(yǎng)體系尚未建立
南昌市雖然是我國(guó)最早從事LED研發(fā)和生產(chǎn)的地區(qū)，但是缺乏具有現(xiàn)代管理理念的產(chǎn)業(yè)化專才，也沒(méi)有形成系統(tǒng)的LED高、中、低各類人才培養(yǎng)體系。
4.LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展市場(chǎng)開(kāi)拓不夠
LED產(chǎn)品升級(jí)換代快，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致價(jià)格下降，企業(yè)的利潤(rùn)減少，影響對(duì)新產(chǎn)品的投資研發(fā)。與此同時(shí)設(shè)計(jì)及研發(fā)成本急速上升，應(yīng)用產(chǎn)品又還沒(méi)有進(jìn)入千家萬(wàn)戶，使得LED照明產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)投入大產(chǎn)出小現(xiàn)象。加之招商引資重點(diǎn)不明確，開(kāi)拓市場(chǎng)顯得更加困難。
5.政府對(duì)LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)研發(fā)投入嚴(yán)重不足
南昌市雖然從2004年起，設(shè)立光電子產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)資金，用于支持南昌光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展，但是這一專項(xiàng)資金每年共計(jì)才600萬(wàn)元，與其它基地的政府投入相比，與發(fā)展該產(chǎn)業(yè)對(duì)我市未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要地位相比，從LED產(chǎn)業(yè)高投入、高風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際來(lái)看，政府投入嚴(yán)重不足。
四、發(fā)展南昌LED產(chǎn)業(yè)的對(duì)策措施
1.選擇“龍頭企業(yè)+工業(yè)園區(qū)”的產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展模式
LED產(chǎn)業(yè)屬于技術(shù)一資本密集型產(chǎn)業(yè)，需規(guī)?；a(chǎn)方可降低成本，且耗能巨大，因此培育產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展的模式必須選擇龍頭企業(yè)帶動(dòng)型模式。
具體做法：依托南昌國(guó)家高新區(qū)具有的優(yōu)勢(shì)，即晶能光電(江西)有限公司具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的硅襯底GaN基技術(shù)優(yōu)勢(shì)，金沙江產(chǎn)業(yè)園的投資帶動(dòng)優(yōu)勢(shì)，上市公司聯(lián)創(chuàng)光電的融資優(yōu)勢(shì)。以及本地的勞動(dòng)力廉價(jià)優(yōu)勢(shì)，在培育一批龍頭企業(yè)的基礎(chǔ)上，建設(shè)具有南昌國(guó)家高新區(qū)LED產(chǎn)業(yè)特色的三大產(chǎn)業(yè)集群。借助技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)和勞動(dòng)力廉價(jià)優(yōu)勢(shì)，努力開(kāi)拓國(guó)際市場(chǎng)，將南昌國(guó)家高新區(qū)建設(shè)為L(zhǎng)ED產(chǎn)品出口的重要基地。借助與金沙江的合作，以政府為引導(dǎo)，以金沙江為帶動(dòng)，積極開(kāi)展招商引資工作，將金沙江產(chǎn)業(yè)園建設(shè)為L(zhǎng)ED企業(yè)流入的聚集地，形成龐大的LED產(chǎn)業(yè)體系。借助聯(lián)創(chuàng)光電的資本優(yōu)勢(shì)和電子元器件的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，搶占全國(guó)電子元器件的市場(chǎng)份額，建立品牌優(yōu)勢(shì)，打造南昌國(guó)家高新區(qū)LED產(chǎn)業(yè)的一大特色產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，以市場(chǎng)為主導(dǎo)，積極引進(jìn)LED產(chǎn)業(yè)投資，全面推進(jìn)LED應(yīng)用產(chǎn)品的生產(chǎn)。
2.大力實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新與人才戰(zhàn)略
進(jìn)一步深入硅襯底GaN基核心技術(shù)的研究，將專利技術(shù)覆蓋所有LED生產(chǎn)領(lǐng)域，形成LED國(guó)際和國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)技術(shù)攻關(guān)與研究開(kāi)發(fā)，力爭(zhēng)在功率型及超高亮度LED外延片和芯片制造技術(shù)、高性能LED封裝技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)和工藝上有所突破，全面提升LED產(chǎn)業(yè)的技術(shù)檔次和水平。技術(shù)的創(chuàng)新需要人才的支撐，南昌市政府應(yīng)完善現(xiàn)有的人才引進(jìn)政策，通過(guò)在住房、職稱評(píng)定、子女求學(xué)等方面適當(dāng)照顧大力引進(jìn)一批高端管理人才和創(chuàng)新型技術(shù)人才，為L(zhǎng)ED產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)有力的智力支撐；以此同時(shí)，充分借助高校與科研院所的優(yōu)勢(shì)，分別在大學(xué)、大專、中專等院校建立LED相關(guān)學(xué)院和系，按照LED產(chǎn)業(yè)所需的人才梯度，培養(yǎng)研發(fā)專才、工程師和技術(shù)工人等一系列人才，為南昌國(guó)家高新區(qū)LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供完善的人才保障。
3.拓展應(yīng)用領(lǐng)域，以應(yīng)用促產(chǎn)業(yè)發(fā)展
針對(duì)我市LED應(yīng)用產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化能力弱的問(wèn)題，本文的構(gòu)思是建議以新構(gòu)思、新技術(shù)、新產(chǎn)品引導(dǎo)新的應(yīng)用。目前在城市路燈照明、室內(nèi)裝飾燈、汽車用照明等領(lǐng)域的LED應(yīng)用才剛起步，還有很大發(fā)展空間，要通過(guò)政府采購(gòu)、政府首購(gòu)，新技術(shù)、新產(chǎn)品展示會(huì)，現(xiàn)場(chǎng)試用表演和建立示范工程等方式進(jìn)行推廣，不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍和規(guī)模，并最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
4.為企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)提供廣闊的投融資渠道
LED產(chǎn)業(yè)的研發(fā)投入資金大、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高，政府應(yīng)為企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)提供廣闊的投融資渠道。具體做法；一是對(duì)于符合LED結(jié)構(gòu)調(diào)整方向的技術(shù)改造項(xiàng)目、技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目及固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目的LED企業(yè)可批準(zhǔn)其申請(qǐng)貸款貼息。二是對(duì)符合條件且在授信額度內(nèi)的LED企業(yè)貸款建立了“貸款綠色通道”，提高貸款效率。三是建立合同能源管理的“四方融資模式”，即企業(yè)與市政府簽訂能源管理合同，政府分期付款給企業(yè)；銀行根據(jù)合同給企業(yè)貸款，市政府指導(dǎo)擔(dān)保機(jī)構(gòu)對(duì)企業(yè)提供流動(dòng)資金貸款擔(dān)保，企業(yè)再分期向銀行還貸。解決企業(yè)本身授信不夠、政府貸款過(guò)度、政策不可控制和延續(xù)性問(wèn)題。四是成立LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金，市財(cái)政在規(guī)劃期內(nèi)從扶持企業(yè)發(fā)展資金中，第一年、第二年各安排2000萬(wàn)元專項(xiàng)資金，第三年安排4000萬(wàn)元專項(xiàng)資金，用于扶持半導(dǎo)體照明產(chǎn)品的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化、公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)與維護(hù)、示范應(yīng)用的補(bǔ)助和工作經(jīng)費(fèi)等方面，各開(kāi)發(fā)區(qū)、各縣區(qū)都要安排一定資金用于半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展和推廣應(yīng)用。此外，通過(guò)舉行經(jīng)貿(mào)會(huì)等形式進(jìn)行重點(diǎn)招商引資。
參考文獻(xiàn)
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第5篇：半導(dǎo)體光電技術(shù)范文
陳朝，福州市人，1943年出生于福建省永安市，主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)光電體材料、器件和應(yīng)用，涉及信息光電子學(xué)、半導(dǎo)體照明和光伏發(fā)電等領(lǐng)域。陳朝畢業(yè)于廈門大學(xué)物理系，學(xué)習(xí)了“無(wú)線電電子學(xué)”和“半導(dǎo)體物理與半導(dǎo)體器件物理”兩個(gè)專業(yè)；1965年，在導(dǎo)師的建議下，年輕好學(xué)的陳朝繼而選擇了半導(dǎo)體光電研究方向，這為他后來(lái)的發(fā)展起到了非常重要的作用。
陳朝讓人印象深刻的成果完成于1992年～1993年間，那時(shí)他作為高級(jí)訪問(wèn)學(xué)者，被國(guó)家教委公派到加拿大多倫多大學(xué)和白俄羅斯大學(xué)工作，負(fù)責(zé)由國(guó)家科委下達(dá)的、與白俄羅斯科學(xué)院電子研究所合作的“用于光纖通信的III―V族多層材料和光電器件的研制”國(guó)際合作項(xiàng)目，并設(shè)計(jì)了InP基單片集成PIN―FET多層材料，在同一片材料上成功研制出性能良好的PIN光電探測(cè)器和MISFET放大器。
在此過(guò)程中，陳朝研制出了高速、低暗電流、高響應(yīng)度的InGaAs/InP PIN光電探測(cè)器芯片，集成了異質(zhì)結(jié)分離、開(kāi)管擴(kuò)散、氧化鋁抗反射膜等新技術(shù)。“這個(gè)芯片已經(jīng)進(jìn)行了TO―46及帶尾纖的單管和PIN―TIA結(jié)構(gòu)光電放大器組件封裝測(cè)試，傳輸速率為655Mbps～2.5bps，現(xiàn)已獲得‘InGaAs/InP PIN光電探測(cè)器及其制造工藝’發(fā)明專利。”陳朝說(shuō)。2003年3月，由科技部和福建省科技廳組織的驗(yàn)收鑒定認(rèn)為該工藝達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；2005年，該工藝獲省市發(fā)改委80萬(wàn)元經(jīng)費(fèi)支持，在校辦企業(yè)進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化。
繼芯片之后，陳朝又利用正性光刻剝離工藝，在國(guó)內(nèi)首次研制成功新型多動(dòng)能光控HEMT器件。他說(shuō)：“該器件可用于光電集成電路，能夠探測(cè)高頻光纖信號(hào)并將其放大，是一件具有源頭創(chuàng)新特點(diǎn)的產(chǎn)品?！苯柚鷩?guó)內(nèi)合作的機(jī)會(huì)，陳朝完成了材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生長(zhǎng)和測(cè)量、版圖設(shè)計(jì)制備、器件工藝、TO和雙列直插型封裝、靜態(tài)和光敏特性測(cè)量等工作，并提出能較好描述該器件光敏、放大和微波特性的物理模型，對(duì)半導(dǎo)體光電材料和器件的發(fā)展起了良好的推動(dòng)作用。
多晶硅的提純一直是我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的難題，陳朝憑借自己的專業(yè)知識(shí)，解決了這一難題。據(jù)悉，在進(jìn)行“低成本多晶硅提純及太陽(yáng)能電池的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”研究中，他采用精細(xì)的綜合冶金物理方法，將工業(yè)硅的冶煉和提純緊密結(jié)合，充分利用工業(yè)硅冶煉工程的余熱，直接將2N的工業(yè)硅提純到6N以上的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅；將5N多晶硅定向凝固、劃片后經(jīng)表面氯氧化和吸雜處理改性后，研制出光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)11%的太陽(yáng)能電池。這兩項(xiàng)技術(shù)突破了長(zhǎng)期制約我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
陳朝在半導(dǎo)體光電材料和器件領(lǐng)域的成就，遠(yuǎn)不止上面羅列的這些。他所負(fù)責(zé)的“863”計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金“激光誘導(dǎo)下的GaN P-型摻雜和P-型歐姆接觸”項(xiàng)目，達(dá)到GaN空穴濃度超過(guò)5x1018cm-3以及GaN的P-型歐姆接觸比接觸電阻低2.5x10-4Ωcm2的良好效果，并獲得兩項(xiàng)發(fā)明專利。該項(xiàng)目屬國(guó)際首創(chuàng)，處于國(guó)內(nèi)最好的水平。陳朝說(shuō)，目前該方法已經(jīng)用于GaN藍(lán)色和白光LED芯片的制備，不僅提高發(fā)光效率和器件的可靠性，還降低工作電壓和熱阻并延長(zhǎng)了器件的工作壽命，經(jīng)濟(jì)效益良好。
此外，受廈門三優(yōu)公司委托，陳朝研制的在650mm波長(zhǎng)光照下，光響應(yīng)度達(dá)0.4A/W的硅光電探測(cè)器，獲得實(shí)用新型專利并申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利；在與深圳納諾材料研究所的合作中，陳朝較系統(tǒng)地探索了類金剛石薄膜的摻雜和半導(dǎo)體光電性質(zhì)，首次成功研制出類金剛石薄膜MSM結(jié)構(gòu)的紫光和紫光電探測(cè)器，且自主設(shè)計(jì)和委托加工、封裝研發(fā)了用于CD機(jī)上的單片集成光電探測(cè)放大器，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。
自投身科研以來(lái)，陳朝的日程被安排得滿滿當(dāng)當(dāng)，要找出一點(diǎn)空閑著實(shí)不容易。他放棄了清閑的日子，用幾十年的辛勞耕耘換來(lái)了碩果等身，不僅在半導(dǎo)體光電材料和器件領(lǐng)域取得成績(jī)，在光纖通信和有線電視領(lǐng)域也同樣成就卓越。
1999年12月，由陳朝負(fù)責(zé)的“10Mbps、100Mbps光線收發(fā)器”項(xiàng)目，順利通過(guò)福建省科技廳組織的成果鑒定，專家意見(jiàn)一致認(rèn)為：“本成果在協(xié)議芯片的功能開(kāi)發(fā)、防止高頻信號(hào)相互耦合和實(shí)現(xiàn)光電接口等方面的設(shè)計(jì)上，具有創(chuàng)新性和先進(jìn)性，項(xiàng)目技術(shù)已達(dá)國(guó)際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，性價(jià)比優(yōu)于國(guó)際同類產(chǎn)品，有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力?！蓖瑫r(shí)，該項(xiàng)目還榮獲廈門市2000年科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)、福建省2001年科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)以及2項(xiàng)發(fā)明專利、2項(xiàng)實(shí)用新型專利和第十四屆全國(guó)發(fā)明展覽會(huì)銀獎(jiǎng)。
陳朝說(shuō)，由于自己一直從事半導(dǎo)體光電器件的研究，所以進(jìn)入光通信領(lǐng)域?qū)λ麃?lái)說(shuō)是很自然的事情，而他在光通信領(lǐng)域?yàn)槿怂Q道的，是他在科研成果轉(zhuǎn)化方面的貢獻(xiàn)。據(jù)悉由他負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)的“10Mbps、100Mbps光纖收發(fā)器”、“三端口高性價(jià)比普及型有線電視光接收機(jī)”和“用于有線電視網(wǎng)絡(luò)的雙向工作站”等成果現(xiàn)已全部轉(zhuǎn)讓給企業(yè)進(jìn)行批量生產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
為了實(shí)現(xiàn)高速、寬帶、低成本的全光網(wǎng)絡(luò)通信，突破最后一公里瓶頸，真正實(shí)現(xiàn)光纖到戶（FTTH），近年來(lái)他致力于塑料光纖通信的新領(lǐng)域研發(fā)。他說(shuō)：“我們采用850nm波長(zhǎng)成功實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信以及1310nm主干網(wǎng)和850nm局域網(wǎng)的互連，正在努力研發(fā)650nm單片集成塑料光纖收發(fā)器芯片。這樣不久將有可能實(shí)現(xiàn)20Mpbs高速寬帶低成本上網(wǎng)。”此外，陳朝不僅在國(guó)內(nèi)首次研制出用于密集波分復(fù)用的石英小球衛(wèi)星諧振腔光纖分叉器，并且還對(duì)其工作原理和制備方法進(jìn)行了有效探索，為我國(guó)微腔光纖通信事業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
第6篇：半導(dǎo)體光電技術(shù)范文
關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光電源；MAX1968；TEC；TTL；溫度控制
中圖分類號(hào)：TN789文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）09-0021-02
一、半導(dǎo)體激光電源的發(fā)展及技術(shù)要求
目前，半導(dǎo)體激光器在通信技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、軍工技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。因此半導(dǎo)體激光電源的可靠性、穩(wěn)定性也就顯得格外重要。由于激光器的發(fā)射譜線、倍頻晶體的相位匹配等對(duì)溫度十分敏感，因此溫度的變化嚴(yán)重影響著整個(gè)器件的性能，因此，溫度控制電路對(duì)整個(gè)激光器件的品質(zhì)是非常關(guān)鍵的。小功率的激光器可以采用簡(jiǎn)單的被動(dòng)散熱；高功率的激光器一般需要水冷，通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)管道內(nèi)水流量來(lái)達(dá)到控溫的目的，這種方法精度不高，而且受到應(yīng)用環(huán)境的限制，使激光器的應(yīng)用范圍變窄。若要激光器的控溫具有高穩(wěn)定度，則需要用半導(dǎo)體制冷器（Thermal Electronic Cooler，TEC）作為溫控系統(tǒng)的控溫執(zhí)行器件，通過(guò)調(diào)節(jié)流經(jīng) TEC 的電流方向和大小，可以實(shí)現(xiàn)制冷或者加熱，實(shí)現(xiàn)較高的控溫效率，同時(shí)達(dá)到理想的控溫精度。
二、半導(dǎo)體激光電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
如圖1的系統(tǒng)框圖，整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)部分，分別為激光電源（LASOR DIODE，簡(jiǎn)稱LD）恒流輸出部分，TTL電平控制部分以及半導(dǎo)體制冷器（Thermal Electronic Cooler， TEC）溫度監(jiān)測(cè)與控制部分。
在激光電源恒流輸出部分中，首先用一個(gè)模塊電源將市電的220V交流電轉(zhuǎn)換為5V/4A的直流輸出；然后通過(guò)一系列濾波調(diào)壓將收到的直流電量整合到攜帶有少量微小噪聲干擾的直流量，最后通過(guò)一個(gè)恒流電路將輸出電流穩(wěn)定到3A，輸送給激光器。
在TTL電平控制部分中，主要是通過(guò)TTL電平控制恒流電路中輸出MOS管的導(dǎo)通與關(guān)閉以達(dá)到調(diào)制激光的功能。
在TEC溫度監(jiān)測(cè)與控制部分中，激光器表面的溫度信號(hào)首先通過(guò)一個(gè)溫度-電壓傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)榭刹杉臉?biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，并傳送給比例電路。電壓信號(hào)通過(guò)比例電路的放大與濾波后，傳送給TEC驅(qū)動(dòng)電路和比較電路。TEC的驅(qū)動(dòng)電路將接收到的信號(hào)與基準(zhǔn)值相比較，以驅(qū)動(dòng)TEC不工作、制熱或者制冷。比較電路將接收來(lái)的信號(hào)與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較與分析，當(dāng)溫度超過(guò)預(yù)設(shè)的溫度上下限值時(shí)，發(fā)送出一個(gè)警報(bào)信號(hào)迫使整個(gè)電源停止工作。
三、半導(dǎo)體激光電源的硬件連接
硬件連接主要分為兩個(gè)部分，第一部分是半導(dǎo)體激光器部分，為激光器提供穩(wěn)定的輸出，同時(shí)利用TTL信號(hào)和警報(bào)信號(hào)控制電源的工作狀態(tài)；第二部分是TEC驅(qū)動(dòng)及警報(bào)信號(hào)產(chǎn)生電路，通過(guò)MAX1968控制TEC制冷或制熱。
（一）半導(dǎo)體激光器（LASOR DIODE）
電源所提供的某一個(gè)電參量必須是穩(wěn)定的，并且所攜帶的噪聲信號(hào)越小越好。因此，系統(tǒng)中采用了一系列的濾波調(diào)壓電路，濾除電流中所帶的微小噪聲，以達(dá)到穩(wěn)定的小功率輸出。如圖2，在濾波電路中設(shè)置了兩個(gè)滑動(dòng)變阻器，用來(lái)調(diào)節(jié)輸入到運(yùn)算放大器AD820的電壓信號(hào)值。其中用作粗調(diào)，用作微調(diào)，分別引出兩根導(dǎo)線，安裝手動(dòng)旋鈕式變阻器，調(diào)節(jié)輸出恒定電流值的大小。在AD820的電路中，采用電流反饋，以達(dá)到恒流輸出。
在TTL與警報(bào)信號(hào)控制電路中，信號(hào)通過(guò)4N25輸入到VMOS管T092C的基極，以控制其導(dǎo)通或截止。光電耦合器4N25主要用來(lái)隔離前后級(jí)電路的相互影響，同時(shí)控制Q2（T092C）的導(dǎo)通與截止，以調(diào)節(jié)恒流輸出的導(dǎo)通與截止。電路工作過(guò)程：當(dāng)激光器工作在指定溫度范圍內(nèi)時(shí)，警報(bào)信號(hào)為低電平，此時(shí)，若TTL信號(hào)為高電平時(shí)，U104A（DM74LS00M）的輸出為低電平，則U102A（CD4001BCM）的輸出為高電平，而U104B（DM74LS00M）的輸出為低電平，這導(dǎo)致光電耦合器4N25截止，則Q2（T092C）基極為低電平，Q2截止，則AD820輸出的電壓值不變，使MOS管Q1（BU932RP）導(dǎo)通，從而輸出恒定的電流值；而若TTL信號(hào)為低電平，則U104A（DM74LS00M）輸出為高電平，U102A（CD4001BCM）輸出為低電平，U104B（DM74LS00M）為高電平，則光電耦合器4N25導(dǎo)通，輸出電壓導(dǎo)致Q2基極為高電平，Q2導(dǎo)通，從而使AD820的輸出端降為低電平，導(dǎo)致MOS管Q1（BU932RP）截止，則LD部分無(wú)輸出。而當(dāng)警報(bào)信號(hào)為高電平時(shí)，無(wú)論TTL信號(hào)為高電平或者低電平，都會(huì)導(dǎo)致U102A的輸出端為高電平，從而使LD部分無(wú)輸出。
（二）TEC驅(qū)動(dòng)及報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生電路
熱電致冷器（TEC）是利用帕耳貼效應(yīng)進(jìn)行制冷或加熱的半導(dǎo)體器件。在TEC兩端加上直流工作電壓會(huì)使TEC的一端發(fā)熱，另一端致冷；把TEC兩端的電壓反向則會(huì)導(dǎo)致相反的熱流向。本系統(tǒng)使用MAX1968為TEC的驅(qū)動(dòng)芯片，它采用直接電流控制，消除了TEC中的浪涌電流。MAX1968單電源工作，在芯片內(nèi)部的兩個(gè)同步降壓穩(wěn)壓器輸出引腳之VOUT1與VOUT2之間連接TEC，能夠提供±3A雙極性輸出。雙極性工作能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)“死區(qū)”溫度控制，以及避免了輕載電流時(shí)的非線性問(wèn)題。該方案通過(guò)少許加熱或制冷可避免控制系統(tǒng)在調(diào)整點(diǎn)非常接近環(huán)境工作點(diǎn)時(shí)的振蕩。此系統(tǒng)中設(shè)置的基準(zhǔn)值是3v（對(duì)應(yīng)的溫度值為25℃），當(dāng)傳感器感知的溫度大于25℃時(shí)，經(jīng)反向放大器放大后傳輸給MAX1968的電壓值將小于3v，MAX1968將輸出+3v的電壓，驅(qū)動(dòng)TEC制冷；當(dāng)傳感器感知的溫度小于25℃時(shí)，經(jīng)反向放大器放大后傳輸給MAX1968的電壓值將大于3V，MAX1968將輸出-3v的電壓，驅(qū)動(dòng)TEC制熱。
傳感器將感知的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)反向放大器傳輸給U2A的3管腳和U2B的2管腳，U2A和U2B是兩個(gè)比較器（LM393）。在比較電路中，設(shè)置了兩個(gè)極限電壓值和一個(gè)基準(zhǔn)值，上限是4.5（對(duì)應(yīng)的傳感器溫度為0℃），下限值是1.5v（對(duì)應(yīng)傳感器溫度為50℃），當(dāng)時(shí)，U2B輸出一個(gè)正向電壓，二極管D2導(dǎo)通，警報(bào)信號(hào)為高電平，同時(shí)三極管Q3導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警；當(dāng)時(shí)，U2A輸出一個(gè)正向電壓，二極管D1導(dǎo)通，警報(bào)信號(hào)為高電平，同時(shí)三極管Q3導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警；而時(shí)，U2A和U2B都輸出反向的電壓，二極管D1和D2同時(shí)截止，警報(bào)信號(hào)為低電平，三極管Q3截止，蜂鳴器不工作。
四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
（一）LD部分電路測(cè)試數(shù)據(jù)
將電源輸出接到半導(dǎo)體激光器上，正常工作時(shí)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1：
其中R104是阻值為0.1的瓷片電阻，恒定的電流值為其兩端的電壓值的數(shù)值的十倍。測(cè)試結(jié)果基本接近所設(shè)值，測(cè)試完成。
（二）警報(bào)信號(hào)電路部分調(diào)試數(shù)據(jù)
激光電源的設(shè)計(jì)要求是傳感器模擬信號(hào)以25℃（對(duì)應(yīng)電壓為3V）為基準(zhǔn)工作溫度，標(biāo)準(zhǔn)輸出2V/3A。當(dāng)傳感器輸出電壓信號(hào)高于3V時(shí)則說(shuō)明激光器溫度較低，需要制熱，低于0℃溫度時(shí)，LD部分停止工作，蜂鳴器報(bào)警；低于3V時(shí)則說(shuō)明激光器溫度過(guò)高，需要制冷，高于50℃溫度時(shí)，LD部分停止工作，蜂鳴器報(bào)警。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2：
從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，該激光電源的參數(shù)，性能，指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)需要。
五、結(jié)語(yǔ)
本文采用了MAX1968驅(qū)動(dòng)芯片，大大減少了電路分立元件的數(shù)量，改進(jìn)了系統(tǒng)噪聲性能，增加了系統(tǒng)的可靠性， 有效地對(duì)激光器的工作溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，電路的控制性能令人滿意。電源設(shè)備可靠性的高低，不僅與電氣設(shè)計(jì)，而且同元器件、結(jié)構(gòu)、裝配、工藝、加工質(zhì)量等方面有關(guān)。可靠性是以設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)際工程應(yīng)用上，還應(yīng)通過(guò)各種試驗(yàn)取得反饋數(shù)據(jù)來(lái)完善設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高電源的可靠性。
參考文獻(xiàn)
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第7篇：半導(dǎo)體光電技術(shù)范文
關(guān)鍵詞半導(dǎo)體材料量子線量子點(diǎn)材料光子晶體
1半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略地位
上世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命；上世紀(jì)70年代初石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使人類進(jìn)入了信息時(shí)代。超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強(qiáng)大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經(jīng)濟(jì)格局和軍事對(duì)抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>
2幾種主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
2.1硅材料
從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發(fā)展的總趨勢(shì)。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術(shù)正處在由實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm，0.13μm工藝生產(chǎn)線也將在2003年完成評(píng)估。18英寸重達(dá)414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。
從進(jìn)一步提高硅IC‘S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大直徑硅外延片會(huì)成為硅材料發(fā)展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發(fā)展很快。目前，直徑8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在開(kāi)發(fā)中。
理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應(yīng)對(duì)現(xiàn)有器件特性影響所帶來(lái)的物理限制和光刻技術(shù)的限制問(wèn)題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質(zhì)的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來(lái)替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統(tǒng)集成芯片技術(shù)等來(lái)提高ULSI的集成度、運(yùn)算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對(duì)更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計(jì)算和DNA生物計(jì)算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導(dǎo)體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點(diǎn)材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導(dǎo)體材料研發(fā)的重點(diǎn)。
2.2GaAs和InP單晶材料
GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點(diǎn)；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過(guò)200噸，其中以低位錯(cuò)密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長(zhǎng)的2－3英寸的導(dǎo)電GaAs襯底材料為主；近年來(lái)，為滿足高速移動(dòng)通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發(fā)展很快。美國(guó)莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產(chǎn)線。InP具有比GaAs更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價(jià)格居高不下。
GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢(shì)是：
（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產(chǎn)，預(yù)計(jì)本世紀(jì)初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業(yè)應(yīng)用。
（2）。提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性。
（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯(cuò)。
（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技術(shù)。
2.3半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料
半導(dǎo)體超薄層微結(jié)構(gòu)材料是基于先進(jìn)生長(zhǎng)技術(shù)（MBE，MOCVD）的新一代人工構(gòu)造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設(shè)計(jì)思想，出現(xiàn)了“電學(xué)和光學(xué)特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)材料。
（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。
GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已成功地用來(lái)制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達(dá)fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達(dá)500GHz，HEMT邏輯電路研制也發(fā)展很快?；谏鲜霾牧象w系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測(cè)器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導(dǎo)體量子阱激光器已商品化；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達(dá)到或接近達(dá)到實(shí)用化水平。目前，研制高質(zhì)量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調(diào)制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅(qū)動(dòng)電路所需的低維結(jié)構(gòu)材料是解決光纖通信瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實(shí)驗(yàn)。另外，用于制造準(zhǔn)連續(xù)兆瓦級(jí)大功率激光陣列的高質(zhì)量量子阱材料也受到人們的重視。
雖然常規(guī)量子阱結(jié)構(gòu)端面發(fā)射激光器是目前光電子領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的有源器件，但由于其有源區(qū)極?。ā?.01μm）端面光電災(zāi)變損傷，大電流電熱燒毀和光束質(zhì)量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區(qū)量子級(jí)聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國(guó)早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級(jí)聯(lián)激光器，輸出功率達(dá)5W以上；2000年初，法國(guó)湯姆遜公司又報(bào)道了單個(gè)激光器準(zhǔn)連續(xù)輸出功率超過(guò)10瓦好結(jié)果。最近，我國(guó)的科研工作者又提出并開(kāi)展了多有源區(qū)縱向光耦合垂直腔面發(fā)射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質(zhì)量的新型激光器，在未來(lái)光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應(yīng)用前景。
為克服PN結(jié)半導(dǎo)體激光器的能隙對(duì)激光器波長(zhǎng)范圍的限制，1994年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級(jí)聯(lián)激光器，突破了半導(dǎo)體能隙對(duì)波長(zhǎng)的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級(jí)聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來(lái)，Bell實(shí)驗(yàn)室等的科學(xué)家，在過(guò)去的7年多的時(shí)間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進(jìn)展。2001年瑞士Neuchatel大學(xué)的科學(xué)家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)使波長(zhǎng)為9.1μm的QCLs的工作溫度高達(dá)312K，連續(xù)輸出功率3mW.量子級(jí)聯(lián)激光器的工作波長(zhǎng)已覆蓋近紅外到遠(yuǎn)紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調(diào)制器和無(wú)線光學(xué)連接等方面顯示出重要的應(yīng)用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級(jí)聯(lián)激光器；中科院半導(dǎo)體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準(zhǔn)連續(xù)應(yīng)變補(bǔ)償量子級(jí)聯(lián)激光器，使我國(guó)成為能研制這類高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個(gè)國(guó)家之一。
目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過(guò)渡；生產(chǎn)型的MBE和M0CVD設(shè)備已研制成功并投入使用，每臺(tái)年生產(chǎn)能力可高達(dá)3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國(guó)卡迪夫的MOCVD中心，法國(guó)的PicogigaMBE基地，美國(guó)的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產(chǎn)型MBE和MOCVD設(shè)備的成熟與應(yīng)用，必然促進(jìn)襯底材料設(shè)備和材料評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展。
（2）硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。
硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標(biāo)。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發(fā)光效率就成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。雖經(jīng)多年研究，但進(jìn)展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結(jié)構(gòu)，Ge／Si量子點(diǎn)和量子點(diǎn)超晶格材料，Si／SiC量子點(diǎn)材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發(fā)光器件和有關(guān)納米硅的受激放大現(xiàn)象的報(bào)道，使人們看到了一線希望。
另一方面，GeSi／Si應(yīng)變層超晶格材料，因其在新一代移動(dòng)通信上的重要應(yīng)用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達(dá)200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0.9db，其性能可與GaAs器件相媲美。
盡管GaAs／Si和InP／Si是實(shí)現(xiàn)光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)等不同造成的高密度失配位錯(cuò)而導(dǎo)致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們?cè)?2英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(xié)變層（柔性層），成功的生長(zhǎng)了器件級(jí)的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進(jìn)展。
2.4一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料
基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)和庫(kù)侖阻效應(yīng)以及非線性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)造（通過(guò)能帶工程實(shí)施）的新型半導(dǎo)體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎(chǔ)。它的發(fā)展與應(yīng)用，極有可能觸發(fā)新的技術(shù)革命。
目前低維半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)與制備主要集中在幾個(gè)比較成熟的材料體系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進(jìn)展。俄羅斯約飛技術(shù)物理所MBE小組，柏林的俄德聯(lián)合研制小組和中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點(diǎn)激光器，工作波長(zhǎng)lμm左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)3.6～4W.特別應(yīng)當(dāng)指出的是我國(guó)上述的MBE小組，2001年通過(guò)在高功率量子點(diǎn)激光器的有源區(qū)材料結(jié)構(gòu)中引入應(yīng)力緩解層，抑制了缺陷和位錯(cuò)的產(chǎn)生，提高了量子點(diǎn)激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)輸出功率為1W時(shí)工作壽命超過(guò)5000小時(shí)，這是大功率激光器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，至今未見(jiàn)國(guó)外報(bào)道。
在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進(jìn)展，1994年日本NTT就研制成功溝道長(zhǎng)度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國(guó)又報(bào)道了可在室溫工作的單電子開(kāi)關(guān)器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了128Mb的單電子存貯器原型樣機(jī)的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應(yīng)用方面邁出的關(guān)鍵一步。目前，基于量子點(diǎn)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，單光子源和應(yīng)用于量子計(jì)算的量子比特的構(gòu)建等方面的研究也正在進(jìn)行中。
與半導(dǎo)體超晶格和量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制備相比，高度有序的半導(dǎo)體量子線的制備技術(shù)難度較大。中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組，在繼利用MBE技術(shù)和SK生長(zhǎng)模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對(duì)準(zhǔn)（垂直或斜對(duì)準(zhǔn)）的物理起因和生長(zhǎng)控制進(jìn)行了研究，取得了較大進(jìn)展。
王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的喬治亞理工大學(xué)的材料科學(xué)與工程系和化學(xué)與生物化學(xué)系的研究小組，基于無(wú)催化劑、控制生長(zhǎng)條件的氧化物粉末的熱蒸發(fā)技術(shù)，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導(dǎo)體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對(duì)稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現(xiàn)出高純、結(jié)構(gòu)均勻和單晶體，幾乎無(wú)缺陷和位錯(cuò)；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)毫米。這種半導(dǎo)體氧化物納米帶是一個(gè)理想的材料體系，可以用來(lái)研究載流子維度受限的輸運(yùn)現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學(xué)李述湯教授和瑞典隆德大學(xué)固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導(dǎo)體量子線超晶格結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制各方面也取得了重要進(jìn)展。
低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制備的方法很多，主要有：微結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和精細(xì)加工工藝相結(jié)合的方法，應(yīng)變自組裝量子線、量子點(diǎn)材料生長(zhǎng)技術(shù)，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長(zhǎng)技術(shù)，單原子操縱和加工技術(shù)，納米結(jié)構(gòu)的輻照制備技術(shù)，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過(guò)物理或化學(xué)方法制備量子點(diǎn)和量子線的技術(shù)等。目前發(fā)展的主要趨勢(shì)是尋找原子級(jí)無(wú)損傷加工方法和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變自組裝可控生長(zhǎng)技術(shù)，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無(wú)缺陷納米結(jié)構(gòu)。
2.5寬帶隙半導(dǎo)體材料
寬帶隙半導(dǎo)體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開(kāi)采以及國(guó)防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍(lán)、綠光發(fā)光二極管（LED）和紫、藍(lán)、綠光激光器（LD）以及紫外探測(cè)器等應(yīng)用方面也顯示了廣泛的應(yīng)用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍(lán)綠光發(fā)光材料的研究熱點(diǎn)。目前，GaN基藍(lán)綠光發(fā)光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達(dá)140GHz，fT=67GHz，跨導(dǎo)為260ms／mm；HEMT器件也相繼問(wèn)世，發(fā)展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測(cè)器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業(yè)有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學(xué)方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動(dòng)藍(lán)光激光器和GaN基電子器件的發(fā)展。另外，近年來(lái)具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)陂L(zhǎng)波長(zhǎng)光通信用高T0光源和太陽(yáng)能電池等方面顯示了重要應(yīng)用前景。
以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進(jìn)展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍(lán)綠光LED業(yè)已上市，并參于與以藍(lán)寶石為襯低的GaN基發(fā)光器件的竟?fàn)帯Ｆ渌鸖iC相關(guān)高溫器件的研制也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前存在的主要問(wèn)題是材料中的缺陷密度高，且價(jià)格昂貴。
II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國(guó)3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點(diǎn)而得到迅速發(fā)展。1991年3M公司利用MBE技術(shù)率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開(kāi)始了II－VI族蘭綠光半導(dǎo)體激光（材料）器件研制的。經(jīng)過(guò)多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過(guò)1000小時(shí)，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發(fā)展和應(yīng)用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區(qū)材料的完整性，特別是要降低由非化學(xué)配比導(dǎo)致的點(diǎn)缺陷密度和進(jìn)一步降低失配位錯(cuò)和解決歐姆接觸等問(wèn)題，仍是該材料體系走向?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問(wèn)題。
寬帶隙半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料往往也是典型的大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，所謂大失配
異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對(duì)稱性等物理參數(shù)有較大差異的材料體系，如GaN／藍(lán)寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發(fā)界面處大量位錯(cuò)和缺陷的產(chǎn)生，極大地影響著微結(jié)構(gòu)材料的光電性能及其器件應(yīng)用。如何避免和消除這一負(fù)面影響，是目前材料制備中的一個(gè)迫切要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。
目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍(lán)光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導(dǎo)體材料仍處在實(shí)驗(yàn)室研制階段，不少影響這類材料發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長(zhǎng)與N型摻雜，II－VI族材料的退化機(jī)理等仍是制約這些材料實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。
3光子晶體
光子晶體是一種人工微結(jié)構(gòu)材料，介電常數(shù)周期的被調(diào)制在與工作波長(zhǎng)相比擬的尺度，來(lái)自結(jié)構(gòu)單元的散射波的多重干涉形成一個(gè)光子帶隙，與半導(dǎo)體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態(tài)晶體中的能帶論來(lái)描述三維周期介電結(jié)構(gòu)中光波的傳播，相應(yīng)光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會(huì)引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態(tài)密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質(zhì)量微腔激光器開(kāi)辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結(jié)合脈沖激光蒸發(fā)方法，即先用脈沖激光蒸發(fā)制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發(fā)光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個(gè)理想的3－5μm和1.5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進(jìn)展，但三維光子晶體的研究，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來(lái)制造三維光子晶體，取得了進(jìn)展。
4量子比特構(gòu)建與材料
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來(lái)越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術(shù)限制，而無(wú)法滿足人類對(duì)更大信息量的需求。為此，發(fā)展基于全新原理和結(jié)構(gòu)的功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)是21世紀(jì)人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。1994年Shor基于量子態(tài)疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開(kāi)密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。
所謂量子計(jì)算機(jī)是應(yīng)用量子力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有更快的運(yùn)算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計(jì)算機(jī)理想極限。實(shí)現(xiàn)量子比特構(gòu)造和量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個(gè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進(jìn)行信息編碼，通過(guò)外加電場(chǎng)控制核自旋間相互作用實(shí)現(xiàn)其邏輯運(yùn)算，自旋測(cè)量是由自旋極化電子電流來(lái)完成，計(jì)算機(jī)要工作在mK的低溫下。
這種量子計(jì)算機(jī)的最終實(shí)現(xiàn)依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術(shù)的發(fā)展。除此之外，為了避免雜質(zhì)對(duì)磷核自旋的干擾，必需使用高純（無(wú)雜質(zhì)）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無(wú)序漲落以及如何在硅里摻入規(guī)則的磷原子陣列等是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的關(guān)鍵。量子態(tài)在傳輸，處理和存儲(chǔ)過(guò)程中可能因環(huán)境的耦合（干擾），而從量子疊加態(tài)演化成經(jīng)典的混合態(tài)，即所謂失去相干，特別是在大規(guī)模計(jì)算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計(jì)算機(jī)走向?qū)嵱没八匦杩朔碾y題。
5發(fā)展我國(guó)半導(dǎo)體材料的幾點(diǎn)建議
鑒于我國(guó)目前的工業(yè)基礎(chǔ)，國(guó)力和半導(dǎo)體材料的發(fā)展水平，提出以下發(fā)展建議供參考。
5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術(shù)的主導(dǎo)地位
至少到本世紀(jì)中葉都不會(huì)改變，至今國(guó)內(nèi)各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產(chǎn)6英寸的硅外延片，然而都未形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力，更談不上規(guī)模生產(chǎn)。建議國(guó)家集中人力和財(cái)力，首先開(kāi)展8英寸硅單晶實(shí)用化和6英寸硅外延片研究開(kāi)發(fā)，在“十五”的后期，爭(zhēng)取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國(guó)產(chǎn)化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國(guó)應(yīng)有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規(guī)模生產(chǎn)能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應(yīng)及時(shí)布點(diǎn)研制。另外，硅多晶材料生產(chǎn)基地及其相配套的高純石英、氣體和化學(xué)試劑等也必需同時(shí)給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國(guó)微電子技術(shù)的落后局面，進(jìn)入世界發(fā)達(dá)國(guó)家之林。超級(jí)秘書網(wǎng)
5.2GaAs及其有關(guān)化合物半導(dǎo)體單晶材料發(fā)展建議
GaAs、InP等單晶材料同國(guó)外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設(shè)備落后，沒(méi)有形成生產(chǎn)能力。相信在國(guó)家各部委的統(tǒng)一組織、領(lǐng)導(dǎo)下，并爭(zhēng)取企業(yè)介入，建立我國(guó)自己的研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長(zhǎng)，分工協(xié)作，到2010年趕上世界先進(jìn)水平是可能的。要達(dá)到上述目的，到“十五”末應(yīng)形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開(kāi)盒就用晶片的生產(chǎn)能力，以滿足我國(guó)不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術(shù)。到2010年，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國(guó)產(chǎn)化，并具有滿足6英寸線的供片能力。
5.3發(fā)展超晶格、量子阱和一維、零維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的建議
（1）超晶格、量子阱材料從目前我國(guó)國(guó)力和我們已有的基礎(chǔ)出發(fā)，應(yīng)以三基色（超高亮度紅、綠和藍(lán)光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強(qiáng)MBE和MOCVD兩個(gè)基地的建設(shè)，引進(jìn)必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設(shè)備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍(lán)綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實(shí)用化研究是當(dāng)務(wù)之急，爭(zhēng)取在“十五”末，能滿足國(guó)內(nèi)2、3和4英寸GaAs生產(chǎn)線所需要的異質(zhì)結(jié)材料。到2010年，每年能具備至少100萬(wàn)平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)能力。達(dá)到本世紀(jì)初的國(guó)際水平。
寬帶隙高溫半導(dǎo)體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應(yīng)擇優(yōu)布點(diǎn)，分別做好研究與開(kāi)發(fā)工作。
（2）一維和零維半導(dǎo)體材料的發(fā)展設(shè)想?；诘途S半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預(yù)研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術(shù)新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和納米加工技術(shù)的進(jìn)步，而納米結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量又很大程度上取決于生長(zhǎng)和制備技術(shù)的水平。因而，集中人力、物力建設(shè)我國(guó)自己的納米科學(xué)與技術(shù)研究發(fā)展中心就成為了成敗的關(guān)鍵。具體目標(biāo)是，“十五”末，在半導(dǎo)體量子線、量子點(diǎn)材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)集成等若干個(gè)重要研究方向接近當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平；2010年在有實(shí)用化前景的量子點(diǎn)激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發(fā)方面，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并在國(guó)際該領(lǐng)域占有一席之地?？梢灶A(yù)料，它的實(shí)施必將極大地增強(qiáng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和國(guó)防實(shí)力。
第8篇：半導(dǎo)體光電技術(shù)范文
Leeds, UK.
Quantum Wells, Wires
and Dots
2009, 538pp.
Paperback
ISBN: 9780470770979
John Wiley
Paul Harrison著
半導(dǎo)體納米材料是納米材料的一個(gè)重要組成部分,由于能帶工程而實(shí)現(xiàn)的半導(dǎo)體超晶格、量子阱、量子線和量子點(diǎn)這類低維結(jié)構(gòu)具有的獨(dú)特物理性質(zhì),使得納米薄膜、納米微粒、納米團(tuán)簇、納米量子點(diǎn)等所顯示出的新穎的電、磁、光以及力學(xué)性質(zhì),令它們與電子學(xué)、光電子學(xué)以及通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。納米結(jié)構(gòu)的電子和光子器件將成為下一代微電子和光電子器件的核心。目前它們的發(fā)展主要集中在GaN,ZnO,CdS,ZnS,Si,Ge以及碳納米管等方面。
本書是一本關(guān)于“量子阱、量子線及量子點(diǎn)”的綜合教科書,為熟悉固態(tài)物理的人從理論和計(jì)算兩個(gè)方面講述了如何計(jì)算半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中電子、光子的性質(zhì)及輸運(yùn)性質(zhì)。作者采用了類似數(shù)學(xué)教科書的方法講述了關(guān)于半導(dǎo)體納米材料的各種性質(zhì),由各個(gè)示例給出標(biāo)準(zhǔn)解法并附帶詳細(xì)的推導(dǎo)過(guò)程及計(jì)算程序代碼。讀者可以根據(jù)這一系列推導(dǎo)獨(dú)立驗(yàn)證他們自己碰到的新的理論假設(shè)并對(duì)其作出合理的解釋。就像作者所說(shuō)的那樣――本書包含“一切”計(jì)算半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中電子、光子的性質(zhì)及輸運(yùn)性質(zhì)的知識(shí),讀者不需要其他參考書,可以從零開(kāi)始學(xué)習(xí)。
不同于前兩版,本書沒(méi)有附帶計(jì)算機(jī)源代碼光盤,但讀者仍然可以從作者的網(wǎng)站上找到幾乎全部書中所用到的相關(guān)程序的代碼。此外,新版本還給出了一些新的物質(zhì)屬性,如散射率、電子傳遞、量子原子團(tuán)、光波導(dǎo)及量子阱中的光子性質(zhì)等,大約占全部相關(guān)內(nèi)容的20%。
本書作者Paul Harrison目前是英國(guó)利茲大學(xué)(University of Leeds)電子與電機(jī)工程學(xué)院微波及光子研究所教授。主要從事于基于量子力學(xué)原理開(kāi)發(fā)新型光電子器件的研究,其研究成果在許多工程領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。
本書適用于半導(dǎo)體及凝聚態(tài)物理專業(yè)的研究生,以及從事半導(dǎo)體納米材料的相關(guān)理論和工業(yè)應(yīng)用研究的從業(yè)人員。
靳紹巍,博士生
(中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所)
第9篇：半導(dǎo)體光電技術(shù)范文
1.引言
近50年來(lái)，雪崩光電二極管（APD）在商業(yè)、軍事和科研領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。在通信領(lǐng)域，高速APD因?yàn)槠涓叩撵`敏度和足夠的速率被列入下一代光傳輸系統(tǒng)的規(guī)劃中。在10G光接入網(wǎng)（IEEE 802.3av），40G和100G光以太網(wǎng)鏈接（IEEE 802.3ba）中，雪崩光電二極管被作為可采用的解決方案。此外，工作在蓋革模式（Geiger Mode）下的APD，其工作在高于擊穿電壓而獲得極高的增益和高靈敏度，從而被作為微弱信號(hào)探測(cè)并投入產(chǎn)業(yè)化，其相關(guān)技術(shù)已非常成熟。近年來(lái)，隨著量子保密通信[2]的興起，APD作為可選的單光子探測(cè)器方案，在成熟的產(chǎn)業(yè)制備技術(shù)的支持下，其在量子保密通信的研發(fā)也方興未艾。本文從APD在各個(gè)方面應(yīng)用的專利分布對(duì)APD的發(fā)展趨勢(shì)及現(xiàn)狀進(jìn)行分析。
2.APD專利發(fā)展趨勢(shì)分析
圖1為APD國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)趨勢(shì)圖，國(guó)外專利在申請(qǐng)量上較國(guó)內(nèi)有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，該申請(qǐng)趨勢(shì)圖中未包含1990年以前申請(qǐng)的專利，但必須提到，在上世紀(jì)70年代左右由于激光測(cè)距和激光雷達(dá)的興起[3]，APD作為其關(guān)鍵器件之一，其研究和產(chǎn)業(yè)化出現(xiàn)了迅速的提升并于90年代逐漸下滑，該時(shí)期的專利申請(qǐng)量也從反映出了該發(fā)展趨勢(shì)。緊接著，隨著光通信產(chǎn)業(yè)的興起，APD作為PON技術(shù)的接收機(jī)解決方案，依托于半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)APD外延層結(jié)構(gòu)的改進(jìn)逐漸興起，使其滿足高速高靈敏度需求，該階段APD相關(guān)專利的申請(qǐng)量出現(xiàn)了穩(wěn)步的提升。技術(shù)主題上，材料從硅到III-V族材料、磷化銦、銦鋁砷、碲鎘汞、銻化物等，結(jié)構(gòu)從吸收倍增分離，引入漸變層、納米尺度的多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)等，隨著研究的不斷深入，APD的發(fā)展進(jìn)入新的瓶頸期，從而其申請(qǐng)量于近些年出現(xiàn)了滑落。
從國(guó)內(nèi)外研究的方向來(lái)看，圖2為根據(jù)專利的分類號(hào)做出的發(fā)展主題的統(tǒng)計(jì)分析圖。根據(jù)該圖，APD的專利發(fā)明點(diǎn)可分為三大類：APD的器件結(jié)構(gòu)，APD的外部電路、光路，以及將APD在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。其中跟APD的器件結(jié)構(gòu)相關(guān)的分類號(hào)有H01L，該分類號(hào)涉及半導(dǎo)體器件；Y10S則涉及半導(dǎo)體工藝，如電極制作、表面鈍化處理等；B82Y與外延層納米結(jié)構(gòu)相關(guān)；Y02E則涉及半導(dǎo)體材料，H01S則為將APD作為激光器的背光探測(cè)器。H03F涉及將雪崩效應(yīng)轉(zhuǎn)用至放大器中，H01J則是將半導(dǎo)體雪崩效應(yīng)與電子管在器件層面上的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)放大。跟APD外部電路、光路相關(guān)的有H04N，其涉及陣列APD生成圖像以及陣列信號(hào)的讀??；G01R涉及APD的芯片測(cè)試；G01J、G02B和G02F則涉及APD單片集成波導(dǎo)以及器件入射光的耦合、采用端面反射以提高吸收效率等；H03K涉及蓋革模式下的門信號(hào)脈沖技術(shù)。跟APD應(yīng)用相關(guān)的有H04B，其涉及通信傳輸領(lǐng)域，以及與其密切相關(guān)的H04Q、H04J，其將APD與波分復(fù)用器件單片集成；G01T與G01S涉及將APD作為激光雷達(dá)的探測(cè)器，G01C為APD作為激光測(cè)距的探測(cè)器；G01N、C12Q、C12M則采用APD進(jìn)行酶或者微生物的測(cè)量，如對(duì)材料的拉曼光譜、熒光光譜的探測(cè)；A61B涉及APD作為層析X射線掃描的探測(cè)器；G01K涉及APD作為光纖溫度傳感器的探測(cè)器。
總的來(lái)看，APD器件上的創(chuàng)新為其主要的發(fā)明點(diǎn)，而相比于國(guó)外申請(qǐng)，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)更偏向于APD的應(yīng)用方面，這主要還是因?yàn)閲?guó)內(nèi)在半導(dǎo)體工藝技術(shù)方面還明顯的滯后于國(guó)外。而在外部電路、光路的設(shè)計(jì)上，雖然國(guó)外有較為深厚的技術(shù)積累，但國(guó)內(nèi)在部分技術(shù)領(lǐng)域上已經(jīng)有所突破。從圖3的國(guó)內(nèi)外APD專利申請(qǐng)人分布上來(lái)看，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)前三均為日本公司，隨后為中科院半導(dǎo)體所、中山大學(xué)，而已將APD產(chǎn)業(yè)化的武漢通信器件公司在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)中也占有一席之地。此外，根據(jù)圖4可以看出日本在世界范圍內(nèi)的半導(dǎo)體技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
3.單光子探測(cè)器專利申請(qǐng)分析
APD技術(shù)的最新熱門應(yīng)用當(dāng)屬于單光子探測(cè)，在“棱鏡門”曝光之后，保密通信成為進(jìn)入了公眾視野。目前，研發(fā)中單光子探測(cè)器有許多種，包括碳納米管（CNT），超導(dǎo)納米線（SNSPD）[4]，光電倍增管（PMT）[5]等，其中較為熱門且具有產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景的為，光電倍增管、超導(dǎo)納米線以及單光子雪崩光電二極管（SPADs）。而在這3種單光子探測(cè)器中，單光子雪崩光電二極管的偏置電壓，工作溫度方面要求都比較低，在探測(cè)效率，時(shí)間抖動(dòng)，暗計(jì)數(shù)等方面有顯著地優(yōu)勢(shì)。其中，硅基 SPADs因其成熟的研究和良好的工藝制造技術(shù)，器件性能優(yōu)于InGaAs/InP SPADs，但僅適于小于1.1um的波長(zhǎng)；而InGaAs/InP SPADs能夠在紅外波段探測(cè)，在紅外單光子領(lǐng)域特別是通信有著重要的作用。
由圖4可以看出，PMT技術(shù)由于其體積大、所需偏置電壓高等原因正在逐漸被淘汰，而用于量子通信的APD技術(shù)在2000年至2014年期間處于穩(wěn)定的增長(zhǎng)期，隨后由于研究深入技術(shù)成熟而開(kāi)始滑落。而SNSPD技術(shù)則于2008年出現(xiàn)，其申請(qǐng)量逐步提升，此外于2016年8月16日發(fā)射的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星其地面端接收系統(tǒng)則采用了超導(dǎo)納米線技術(shù)，該技術(shù)作為前沿技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于在量子效率上要遠(yuǎn)高于APD與PMT，且光譜范圍寬、低噪聲，而其劣勢(shì)暗計(jì)數(shù)方面也在不斷改進(jìn)。但是SNSPD對(duì)制冷設(shè)備要求高且成本巨大，從而限制了其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。所以，APD技術(shù)在民用保密通信的產(chǎn)業(yè)化上仍具有巨大優(yōu)勢(shì)和潛力。
4.總結(jié)
雪崩光電二極管技術(shù)歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的積累，其器件的研發(fā)、應(yīng)用和成本的控制也日趨成熟，其專利的申請(qǐng)趨勢(shì)隨著相關(guān)技術(shù)的革新出現(xiàn)了數(shù)次峰值，然而其作為通信用單光子探測(cè)器，其產(chǎn)業(yè)化的路上還有很多技術(shù)問(wèn)題亟待解決，可以預(yù)見(jiàn)的是，在不久的將來(lái)雪崩光電二極管將會(huì)因其低成本的特點(diǎn)出現(xiàn)在民用保密通信產(chǎn)品中。
參考文獻(xiàn)
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