《型光電子材料》PPT課件

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1、光電信息功能材料研究進(jìn)展趙昶（北京石油化工學(xué)院）提綱一、光電信息功能材料－現(xiàn)代信息社會的支柱二、光電信息功能材料研究進(jìn)展2.1硅微電子技術(shù)發(fā)展趨勢2.2硅基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料與光電器件2.3激光器材料與器件2.4寬帶隙半導(dǎo)體材料和器件2.5納米(低維)半導(dǎo)體材料與量子器件2.6其他光電信息功能材料與器件三、發(fā)展趨勢9/1/20211一、引言：21世紀(jì)是高度信息化的社會?超大容量信息傳輸、超快實(shí)時(shí)信息處理和超高密度信息存儲是21世紀(jì)信息社會追求的目標(biāo)，發(fā)展信息功能材料是基礎(chǔ)。?主要介紹近年來光電信息功能材料，特別是半導(dǎo)體微電子、光電子材料,半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)和量子器件等的研究進(jìn)展。9/1

2、/202122.1硅微電子技術(shù)發(fā)展趨勢硅（Si）材料作為當(dāng)前微電子技術(shù)的基礎(chǔ)，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)中葉都不會改變。從提高硅集成電路（ICs）性能價(jià)格比來看，增大直拉硅單晶的直徑，仍是今后硅單晶發(fā)展的大趨勢。硅ICs工藝由8英寸向12英寸的過渡將在近年內(nèi)完成。預(yù)計(jì)2016年前后，18英寸的硅片將投入生產(chǎn)。從進(jìn)一步縮小器件的特征尺寸，提高硅ICs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超高純、大直徑和無缺陷硅外延片會成為硅材料發(fā)展的主流。二、光電信息功能材料研究新進(jìn)展9/1/20213到2016年，Si基CMOS器件特征尺寸小到30nm,硅晶片直徑將達(dá)450mm，我國與先

3、進(jìn)國家差距約8年！2001年國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖關(guān)鍵材料和器件子專題2016450mm300mm200mm150mmSi晶片CMOS硅單晶9/1/20214?根據(jù)國際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會預(yù)測，2016年大多數(shù)已知的硅CMOS技術(shù)將接近或達(dá)到它的”極限”,這時(shí)硅ICs技術(shù)的特征線寬將達(dá)到20納米左右,摩爾定律將受到挑戰(zhàn)。?為此，人們在積極探索基于全新原理的量子計(jì)算、分子計(jì)算和DNA生物計(jì)算等同時(shí)，更寄希望于發(fā)展新材料和新技術(shù)，以求進(jìn)一步提高硅基集成芯片的運(yùn)算速度和功能。2.1硅微電子技術(shù)發(fā)展趨勢9/1/20215?其中,尋找高K材料,低K互連材料和Cu引線,以及系統(tǒng)集成芯片(SO

4、C)技術(shù);采用絕緣體上半導(dǎo)體（SOI）材料和GeSi/Si等應(yīng)變硅技術(shù)等,是目前硅基ICs發(fā)展的另一個(gè)重要方向。?為滿足人類不斷增長的對更大信息量的需求，近年來在硅基光電集成和光電混合集成研究方面取得了重要進(jìn)展。2.1硅微電子技術(shù)發(fā)展趨勢9/1/202162.2硅基高效發(fā)光研究取得突破進(jìn)展?硅基光電集成一直是人們追求的目標(biāo)，其中如何提高硅基材料發(fā)光效率是關(guān)鍵。經(jīng)過長期努力，2003年在硅基異質(zhì)結(jié)電注入高效發(fā)光和電泵激射方面的研究獲得了突破性進(jìn)展，這使人們看到了硅基光電集成的曙光。?另外，隨著在大尺寸硅襯底上高質(zhì)量GaAs外延薄膜的生長成功，向硅基光電混合集成方向也邁出了重要的

5、一步！9/1/202172.2硅基高效發(fā)光研究取得突破進(jìn)展?2001年英國Ny等應(yīng)用一種所謂“位錯(cuò)工程”的方法，使硅基光發(fā)射二極管（LED）室溫量子效率提高到0.1%。注入到硅中的硼離子既是P型摻雜劑，又可與N型硅形成PN結(jié)，同時(shí)又在硅中引入位錯(cuò)環(huán)；位錯(cuò)環(huán)形成的局域場調(diào)制硅的能帶結(jié)構(gòu)，使荷電載流子空間受限，從而使硅發(fā)光二極管器件的量子效率得到了提高。?五個(gè)月后，Green等采用類似于高效硅太陽能電池的倒金字塔結(jié)構(gòu)，利用光發(fā)射和光吸收互易的原理,又將硅基LED的近室溫功率轉(zhuǎn)換效率提高到1%。9/1/20218?2002年STM電子公司的科學(xué)家將稀土離子，如鉺、鈰等，注入到富硅的

6、二氧化硅中（其中包含有直徑為1-2nm的硅納米晶），由于量子受限效應(yīng)，具有寬帶隙的納米硅抑制了非輻射復(fù)合過程發(fā)生，大大提高了量子效率。創(chuàng)造了外量子效率高達(dá)10%的硅基發(fā)光管的世界紀(jì)錄！?發(fā)光管的發(fā)光波長依賴于稀土摻雜劑的選擇，如摻鉺(Er)發(fā)1.54微米光（標(biāo)準(zhǔn)光通信波長），摻鋱（Tb）發(fā)綠光，摻鈰（Ce）發(fā)藍(lán)光。2.2硅基高效發(fā)光研究取得突破進(jìn)展9/1/202192.2硅基高效發(fā)光研究取得突破進(jìn)展哈佛大學(xué)的XiangfenDuan等研制成功硅基N-CdS/P-Si納米線電驅(qū)動(dòng)激光器.N-CdSNW被平放在P-Si導(dǎo)電襯底上,形成N-CdS/P-Si異質(zhì)結(jié)，空穴沿著整個(gè)NW的

7、長度注入，電子從Ti/Au電極注入。9/1/2021102.2硅基高效發(fā)光研究取得突破進(jìn)展2001年Motolora實(shí)驗(yàn)室利用在Si和GaAs之間加入鈦酸鍶柔性層，在8、12英寸Si襯底上淀積成功高質(zhì)量的GaAs，引起人們關(guān)注。右下圖是利用這種技術(shù)在GaAs/Si基片上制造的光電器件集成樣品。9/1/202111?2002年日本的Egawa等采用AlN/AlGaN緩沖層和AlN/GaN多層結(jié)構(gòu)，在2英寸的硅襯底上，生長出高結(jié)晶質(zhì)量的、無龜裂的InGaN基發(fā)光管。藍(lán)光發(fā)光管在20毫安時(shí)的工作電壓為4.1V