《光电信息材料的应用前景》

光电信息材料的应用前景

Name:asdfghj

摘要：光电信息材料是一类重要的功能材料,在激光、计算机、自动化、航空航天以及现代国防术中有着广泛而重要的应用,是当前高技术新材料研究开发和竞争的热点。本文仅对光电半导体材料、纳米光电材料的基本特性,分类及其应用进行简要介绍,并对它们的发展前景作一些个人的展望。

关键字：光电半导体材料 纳米光电材料

Application prospect of photoelectric information functional materials

Jiang Li Jun

School :Beijing University of Posts and Telecommunications Class :2013210772 E-mail: 1262147262@qq.com Phone: 13366025389

Abstract:

photoelectric information materials are important functional materials with wide applications in laser, computer, automation, aerospace and modern national defense. It’s a hotspot for research and development, competition of hi-tech materials at present. This article just simply introduce fundamental characteristics, classification and application of photoelectric semiconductor materials and nanometer photoelectric materials. Besides, I will make a individual outlook for their development prospect.

Keywords Photoelectric semiconductor materials Nanometer photoelectric materials

引言

当今世界正处于光电信息产业飞速发展的时代，光电子产业是21世纪潜力巨大的产业。未来信息产业的竞争焦点将从微电子信息产业转向光电子信息产业，据预测，2011-2016 年，光电子产业可能会取代传统电子产业并成为21世纪最大的产业，同时成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要标志之一。为此，不少国家都采取了相应措施，加快发展光电子产业，美国、日本、德国、韩国、法国等国家竞相将光电子技术纳入国家发展计划。近年来，我国光电子产业飞速发展，激光、光纤、光缆、光器件技术和产业水平已经达到或接近国际先进水平。光电子产业是我国信息产业与国际先进水平差距相对较小的领域之一，在国家信息产业战略中，有望率先实现核心技术国产化。

众所周知，光电材料是整个光电子产业的基础和先导。光电材料按用途来分，可分为光电转换材料和光电催化材料；按组成来分，可分为有机光电材料、无机光电材料和有机一无机光电配合物；按尺度来分，可分为纳米光电材料和块体光电材料。由光电材料制成的光电

器件和产品，其新产品、新技术不断涌现，已逐渐应用到从信息的获取、处理、传输到信息的存储和显示等信息产业的各个重要环节。目前，光电子产业最主要的372应用领域为光通信及其相关组件系统、光电显示和光存储。本文主要阐述半导体光电材料和纳米光电材料两类重要光电信息功能材料的特性及其研究进展。

1 光电半导体材料

半导体材料是电子材料、光电材料和仪表材料的重要组成部分。由于其涉及面广,这里仅对光电半导体材料进行简要介绍。

在光电信息的获取和传输过程中都要应用到光电半导体材料。最早工业应用的半导体材料是硅单晶,近几年化合物半导体材料的研究和开发取得巨大进展。相对硅单晶而言,化合物半导体材料迁移率高,饱和速度大,特别是混溶三元、四元化合物半导体,它们的禁带、载流子迁移率、晶格常数可连续调节,有利于器件的高频、高速性能。然而随着分子束外延和金属有机化合物化学气相沉积技术的出现,在GaAs、InP等单晶衬底上生长AlXGa1-xAs、InxGa1-xAs等禁带宽度与衬底材料禁带宽度不同的单层外延层,构成p-n、p-p或n-n异质结的技术,或多层外延层构成异质结构的技术的实用化,化合物半导体材料的性能往往不再以它的母体材料的性能来衡量和表征,很多场合用的是它们的异质结或异质结构材料的性能。由于半导体异质结和异质结构优良的电子输送性能和光电性能,它们在微电子和光电子领域得到越来越广泛的应用,在太阳能电池、光电传感器领域的应用也已开始。当今世界上速度最快的三端半导体器件是异质结构成的调制掺杂场效应晶体管,这种晶体管的超高速性能使它在厘米波和毫米波超低噪声、中功率、超宽带行波放大器和超高速数字电路领域中,正在逐渐取代砷化镓金属半导体场效应晶体管。

1.1硅微电子技术材料

微电子技术是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术。硅材料是半导体集成电路和光伏太阳能电池的主要原材料，是信息和新能源产业的基础。近年来，由于世界半导体产业及光伏产业的发展，我国的硅材料产业也得到了快速成长与发展壮大。

硅微电子技术材料对当今信息时代具有巨大的影响，其特点是体积小、质量轻、可靠性高等。作为半导体光电材料的硅材料，从提高硅的性能、集成电路成品率，以及降低成本来看，增大直拉硅单晶直径，解决硅片直径增大导致的缺陷密度增加和均匀性变差等问题，

仍是今后硅材料发展的大趋势；另外，从进一步缩小半导体器件特征尺寸和提高硅的集成度来看，硅材料发展的另一个主要方向将是研制适合于深亚微米乃至纳米级工艺所需的大直径硅外延片。基于锗化硅(SiGe)材料生长的应变硅技术，能提供更高的器件驱动电流和更快的晶体管速度，将有可能替代硅材料而成65 nm以下互补型金属氧化物半导体电路(cMOS) 的主流技术；同时，人们也在开发诸如高K栅介质、双栅/多栅器件、应变沟道和高迁移率材料和铜互连技术等。但是即便如此，硅微电子技术最终还是难以满足人类对信息量的庞大需求，因此，寻求基于全新原理的材料、器件和电路技术也是另一研究热点，如基于量子力学效应的纳米电子技术、量子信息技术和光计算技术等。

1.2量子级联激光器材料

基于砷化镓和磷化铟基的超晶格、量子阱材料已经发展得比较成熟了，并广泛应用于光通信、移动通信等领域。1994年，美国贝尔实验室发明了基于量子阱子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器(QCL)，它集量子工程和分子束外廷技术于一体，突破了半导体能隙对波长的限制，是国家纳米级量子器件核心技术的真正体现。经过十多年的快速发展，QCL已在新型中/ 远红外光源、自由空间通信、红外对抗和遥控化学传感等方面突显出广泛的应用前景。目前，QCL已成为各国争相研究的高新技术，许多基于QCL的可调谐中红外激光器(脉冲和红外)在国外已经进入工业化。

1.3 光子带隙材料

光子带隙材料(常被称为光子晶体)的概念首先出现于1987年，E．Yab1ono Ritch和S．John分别独立指出：介电函数的周期性变化能够调制材料中光子的状态模式。根据周期性的空间排列，可以将光子晶体分为一维、二维和三维光子晶体。1996年，Thomas Krauss 作出了世界上第一个在光学尺寸上的一维光子晶体。他在半导体技术方面成功地开辟了一条新道路，即利用已有的半导体工业技术来制造新型的半导体材料——光子晶体。而二维光子晶体，即半导体的薄片堆层，现已制备出了硅基二维光子晶体、高Q值(高品质因数)的光子微腔和含单量子点的砷化镓基二维光子晶体微腔，其应用领域广泛，如利用全内反射将光限制在晶体中而产生光子晶体效应以及控制光的色散，利用光子晶体制作计算机芯片以提高计算机运行速度等。三维光子晶体，尤其是可见光/近红外波段的三维光子晶体，由于加工条件限制，制备相对较难。近年来日本京都大学已研制成功InP(或GaAs)基带隙在1.55μm波长附近周期为700nm的三维光子晶体。另外，光子晶体技术也被应用到了光纤上，即光子

晶体光纤，它相对于普通光纤有很多先进之处。

2 纳米光电子材料

纳米材料由于其优越性能，正受到越来越多的重视。纳米陶瓷材料、纳米磁性材料、纳米复合催化剂、纳米信息材料、纳米润滑材料以及纳米金属团簇等的研究发展越来越迅速，研究成果已部分得到实际应用，如纳米陶瓷材料具有超塑性成型后具有接近金属材料的韧性可应用于某些高温发动机等。

2.1 纳米光电材料的特性

由于尺度处于原子簇和宏观物体的交接区域，纳米材料具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，并产生奇异的力学、电学、磁学、光学、热学和化学等特性。表面效应是纳米光电材料的一个重要特性，表面原子数增加到一定程度，粒子陛能更多地由表面原子而不是由晶格上的原子决定，由于表面原子数的增多会导致许多缺陷，从而决定了纳米光电材料有更高的活性。而量子尺寸效应除了会造成纳米光电材料的光学性质发生变化还会引起其电学性质的明显改变，因此，纳米光电材料比普通光电材料具有更高的光催化活性。

2.2纳米光电材料研究现状

随着纳米半导体材料的出现和纳米电子器件的蓬勃发展，纳米光电子学应运而生。纳米光电子学是研究纳米结构电子与光子相互作用及其器件的一门高技术学科。而纳米光电技术是在纳米光电材料、纳米半导体技术的基础上发展起来的，是纳米光电子器件的基础，且将成为纳米光通信技术发展的重要支柱。目前，有关纳米光电材料的研究与应用有纳米粉末在光电探测器中的研究、一维纳米材料的应用、纳米硅薄膜的应用。

结语

光电功能材料由于具有广阔的市场前景，并涵盖传统复合材料和现代纳米材料两大部分，正引起越来越多的科学家的重视和深入研究。今后的研究重点是制备新材料和探索材料的新性能、新效应及产生的物理起因。同时材料的器件化、功能化、产业化也是光电功能材料发展的根本所在。

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2009(15)：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ojz3.html