新型光电子材料.ppt

* 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 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。 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。 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 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 2016 450mm 300mm 200mm 150mm Si 晶片 CMOS 硅单晶 ? 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 ? 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 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。 ? 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！ 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。 ? 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%。 ? 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 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N-CdS/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。 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。 ? 2002年日本的Ega