半導體光電技術精選(九篇)

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第1篇：半導體光電技術范文

關鍵詞：半導體激光器，閉環(huán)控制，自動溫度控制

一、半導體激光器穩(wěn)恒控制

對半導體激光器進行控制，常采用自動控制的方法，其包括自動電流控制（ACC）、自動功率控制（APC）、自動溫度控制（ATC）、電壓恒定控制（AVC）。

自動電流控制（ACC）是對半導體激光器的注入電流進行穩(wěn)恒控制的一種控制方式。即通過電流反饋控制回路，來獲得最低的電流偏差。當要求驅(qū)動電流穩(wěn)定時，常采用ACC工作模式。

自動功率控制（APC）是對半導體激光器的輸出光功率進行穩(wěn)恒控制的一種控制方式。即當LD工作時， PD將接收的部分光功率轉(zhuǎn)化為監(jiān)測電流，該電流與PD接收到的光功率成正比。監(jiān)測電流經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換后，通過反饋網(wǎng)絡與設定值進行比較，形成閉環(huán)負反饋控制。

自動溫度控制（ATC）是在對半導體激光器進行控制時保證其溫度恒定不變。

電壓恒定控制（AVC）是在對半導體激光器進行控制時保證其驅(qū)動電壓恒定不變。

通過上述分析可以看出，ACC、APC方式適用于帶有溫度調(diào)節(jié)的半導體激光器，配合ATC控制方式，會產(chǎn)生很好的效果。一般情況下，激光器的光電轉(zhuǎn)換效率隨著使用時間的增長而降低，以此APC控制精度優(yōu)于ACC。當要求LD的驅(qū)動電壓恒定時，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)動半導體激光器。

二、半導體激光器自動功率控制（APC）原理

為方便功率的控制，通常半導體激光器內(nèi)部將半導體激光器與光電二極管集成在一起，裝在同一管芯內(nèi)。PD感應的光電流很?。ㄒ话銥閹装傥玻?，因此，對光電流檢測器的靈敏度和精度要求很高。檢測器的輸出信號反饋回單片機系統(tǒng)并通過輸入端控制電流驅(qū)動模塊調(diào)整輸出光功率，一般將驅(qū)動模塊與功率控制模塊統(tǒng)一考慮[2] 。

自動功率控制原理框圖如1-1所示。

圖1-1自動功率控制原理框圖

采用背向光反饋自動偏置控制方式，即用半導體激光器組件中的光電二極管檢測激光器背向輸出光功率。因為背向輸出光功率能跟蹤前向輸出光功率的變化，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)就可以調(diào)節(jié)激光器的工作電流，達到輸出穩(wěn)定光功率的目的。檢測光電二極管的輸出光電流，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換及前置放大電路，主放大電路以及濾波電路，A/D轉(zhuǎn)換以后進入單片機系統(tǒng)，通過ADuC836單片機處理以后通過D/A轉(zhuǎn)換電路反饋回恒流源電路，控制恒流值的大小，從而控制半導體激光器的光功率，達到穩(wěn)定光功率的目的。

正常狀態(tài)下，半導體激光器工作在設定點，流過其驅(qū)動電流I與其輸出光功率處于穩(wěn)定的狀態(tài)。當LD因某種原因功率增大時，耦合至PD的光電流也按比例增大；當LD光功率降低時，PD的光電流相應減小。監(jiān)測PD輸出光電流的變化控制LD的注入電流，當輸出光電流減小時，通過單片機控制增大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，則降低LD的注入電流。

自動功率控制是以穩(wěn)定輸出功率為目的，以輸出光功率作為反饋信號，控制驅(qū)動電流源，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Pin與光電流Im的關系如公式（1-1）所示[3]：

式中R：光電二極管的響應度，可由所使用的半導體激光器組件參數(shù)求得。

三、半導體激光器自動溫度控制（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，并且影響波長的穩(wěn)定性[4]。目前已經(jīng)提出了很多種半導體激光器溫控電路，采用模擬技術和數(shù)字技術，但高精度溫度控制并不是一件容易實現(xiàn)的事情。本文在軟件上采用PID（Proportion，Integrator，Differentiator）控制技術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自動溫度控制原理框圖

自動溫度控制（ATC）系統(tǒng)包括：采樣部分、轉(zhuǎn)換部分、單片機系統(tǒng)部分和制冷控制部分[9]。半導體激光器工作時，隨時間的推移其溫度會逐漸升高，測溫傳感器將溫度變化的信號轉(zhuǎn)換成電阻信號，由溫度—電壓轉(zhuǎn)換電路（T/V）將信號轉(zhuǎn)換為電壓信號以便后續(xù)處理，儀表運算放大電路是將電壓信號進行高精度放大以利于A/D轉(zhuǎn)換，由于本文所選的單片機自帶A/D轉(zhuǎn)換器，可直接將代表溫度的信號從A/D轉(zhuǎn)換模擬通道輸入到單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)經(jīng)過PID算法處理后由輸出端口輸出數(shù)字控制信號到D/A轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換的模擬控制信號就可以控制半導體制冷器的驅(qū)動電路，達到控制半導體制冷器的電流及制冷功率，從而保證半導體激光器溫度恒定。

溫度傳感器采用負溫度系數(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，測溫的精度取決于這個電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓變化過程的精度。將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化常采用電橋方法，并用儀表運算放大電路保證信號轉(zhuǎn)換和傳輸。控制程序采用PID控制算法控制帕耳帖的電流，來控制帕耳帖的制冷量，實現(xiàn)半導體激光器的恒溫度控制。自動溫度控制電路通過改變半導體制冷器上的電流大小和方向，對半導體激光器進行加熱或制冷，來控制其溫度，使功率穩(wěn)定輸出。當半導體激光器溫度升高時，制冷器制冷，其溫度下降；當半導體激光器溫度降低時，制冷器加熱，其溫度上升。

四、總結(jié)

本文主要介紹了半導體激光器的四種驅(qū)動方式及各種方式的優(yōu)缺點；并詳細給出了本課題所采用的自動功率控制、自動溫度控制的工作原理。自動功率控制是采用光電二極管的輸出電流，處理后與設定值比較來調(diào)整激光器的工作電流，從而實現(xiàn)激光器功率閉環(huán)控制。自動溫度控制是通過熱敏電阻采集激光器的溫度，將得到的溫度值與設定值進行比較，從而控制TEC驅(qū)動電路中電流的流向及大小。

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第2篇：半導體光電技術范文

在半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導體材料;將砷化鎵、磷化銦、磷化鎵等稱為第二代半導體材料;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體材料。本文介紹了三代半導體的性質(zhì)比較、應用領域、國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀和進展情況等。

關鍵詞

半導體材料;多晶硅;單晶硅;砷化鎵;氮化鎵

1前言

半導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材料[1]，支撐著通信、計算機、信息家電與網(wǎng)絡技術等電子信息產(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，我國電子信息產(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20，產(chǎn)業(yè)規(guī)模是1997年的2.5倍，居國內(nèi)各工業(yè)部門首位[3]。半導體材料及應用已成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展、科技進步和國防實力的重要標志。

半導體材料的種類繁多，按化學組成分為元素半導體、化合物半導體和固溶體半導體;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;按應用方式可分為體材料和薄膜材料。大部分半導體材料單晶制片后直接用于制造半導體材料，這些稱為“體材料”;相對應的“薄膜材料”是在半導體材料或其它材料的襯底上生長的，具有顯著減少“體材料”難以解決的固熔體偏析問題、提高純度和晶體完整性、生長異質(zhì)結(jié)，能用于制造三維電路等優(yōu)點。許多新型半導體器件是在薄膜上制成的，制備薄膜的技術也在不斷發(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。

在半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導體材料;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體材料[4]。上述材料是目前主要應用的半導體材料，三代半導體材料代表品種分別為硅、砷化鎵和氮化鎵。本文沿用此分類進行介紹。

2主要半導體材料性質(zhì)及應用

材料的物理性質(zhì)是產(chǎn)品應用的基礎，表1列出了主要半導體材料的物理性質(zhì)及應用情況[5]。表中禁帶寬度決定發(fā)射光的波長，禁帶寬度越大發(fā)射光波長越短藍光發(fā)射;禁帶寬度越小發(fā)射光波長越長。其它參數(shù)數(shù)值越高，半導體性能越好。電子遷移速率決定半導體低壓條件下的高頻工作性能，飽和速率決定半導體高壓條件下的高頻工作性能。

硅材料具有儲量豐富、價格低廉、熱性能與機械性能優(yōu)良、易于生長大尺寸高純度晶體等優(yōu)點，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)最主要的基礎材料，95以上的半導體器件和99以上的集成電路ic是用硅材料制作的。在21世紀，可以預見它的主導和核心地位仍不會動搖。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處理光電信號，被公認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、應用最廣、產(chǎn)量最大的半導體材料。同時，其在軍事電子系統(tǒng)中的應用日益廣泛，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、高速和光電子應用方面具有遠比硅器件和砷化鎵器件更為優(yōu)良的特性，可制成藍綠光、紫外光的發(fā)光器件和探測器件。近年來取得了很大進展，并開始進入市場。與制造技術非常成熟和制造成本相對較低的硅半導體材料相比，第三代半導體材料目前面臨的最主要挑戰(zhàn)是發(fā)展適合gan薄膜生長的低成本襯底材料和大尺寸的gan體單晶生長工藝。

主要半導體材料的用途如表2所示?？梢灶A見以硅材料為主體、gaas半導體材料及新一代寬禁帶半導體材料共同發(fā)展將成為集成電路及半導體器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流。

3半導體材料的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

3.1半導體硅材料

3.1.1多晶硅

多晶硅是制備單晶硅和太陽能電池的原料，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半導體級多晶硅。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。美國先進硅公司和哈姆洛克公司產(chǎn)能均達6000t/a，德國瓦克化學公司和日本德山曹達公司產(chǎn)能超過3000t/a，日本三菱高純硅公司、美國memc公司和三菱多晶硅公司產(chǎn)能超過1000t/a，絕大多數(shù)世界市場由上述7家公司占有。2000年全球多晶硅需求為22000t，達到峰值，隨后全球半導體市場滑坡;2001年多晶硅實際產(chǎn)量為17900t，為產(chǎn)能的75左右。全球多晶硅市場供大于求，隨著半導體市場的恢復和太陽能用多晶硅的增長，多晶硅供需將逐步平衡。

我國多晶硅嚴重短缺。我國多晶硅工業(yè)起步于50年代，60年代實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。由于技術水平低、生產(chǎn)規(guī)模太小、環(huán)境污染嚴重、生產(chǎn)成本高，目前只剩下峨嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅廠2個廠家生產(chǎn)多晶硅。2001年生產(chǎn)量為80t[7]，僅占世界產(chǎn)量的0.4，與當今信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和多晶硅的市場需求急劇增加極不協(xié)調(diào)。我國這種多晶硅供不應求的局面還將持續(xù)下去。據(jù)專家預測，2005年國內(nèi)多晶硅年需求量約為756t，2010年為1302t。

峨嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅廠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，提高了各項經(jīng)濟技術指標，使我國擁有了多晶硅生產(chǎn)的自主知識產(chǎn)權。該廠正在積極進行1000t/a多晶硅項目建設的前期工作。洛陽單晶硅廠擬將多晶硅產(chǎn)量擴建至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密集型行業(yè)，在國際市場上產(chǎn)業(yè)相對成熟，市場進入平穩(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。

目前國際市場單晶硅產(chǎn)量排名前5位的公司分別是日本信越化學公司、德瓦克化學公司、日本住友金屬公司、美國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)了主導地位[8]。

集成電路高集成度、微型化和低成本的要求對半導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文獻[8]，晶片大尺寸和高質(zhì)量成為必然趨勢。目前全球主流硅晶片已由直徑8英寸逐漸過渡到12英寸晶片，研制水平達到16英寸。

我國單晶硅技術及產(chǎn)業(yè)與國外差距很大，主要產(chǎn)品為6英寸以下，8英寸少量生產(chǎn)，12英寸開始研制。隨著半導體分立元件和硅光電池用低檔和廉價硅材料需求的增加，我國單晶硅產(chǎn)量逐年增加。據(jù)統(tǒng)計，2001年我國半導體硅材料的銷售額達9.06億元，年均增長26.4。單晶硅產(chǎn)量為584t，拋光片產(chǎn)量5183萬平方英寸，主要規(guī)格為3英寸6英寸，6英寸正片已供應集成電路企業(yè)，8英寸主要用作陪片。單晶硅出口比重大，出口額為4648萬美元，占總銷售額的42.6，較2000年增長了5.3[7]。目前，國外8英寸ic生產(chǎn)線正向我國戰(zhàn)略性移動，我國新建和在建的f8英寸ic生產(chǎn)線有近10條之多，對大直徑高質(zhì)量的硅晶片需求十分強勁，而國內(nèi)供給明顯不足，基本依賴進口，我國硅晶片的技術差距和結(jié)構不合理可見一斑。在現(xiàn)有形勢和優(yōu)勢面前發(fā)展我國的硅單晶和ic技術面臨著巨大的機遇和挑戰(zhàn)。

我國硅晶片生產(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內(nèi)領先地位，先后研制出我國第一根6英寸、8英寸和12英寸硅單晶，單晶硅在國內(nèi)市場占有率為40。2000年建成國內(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)開發(fā)區(qū)建設了區(qū)熔硅單晶生產(chǎn)基地，一期工程計劃投資1.8億元，年產(chǎn)25t區(qū)熔硅和40t重摻砷硅單晶，計劃2003年6月底完工;同時承擔了投資達1.25億元的863項目重中之重課題“12英寸硅單晶拋光片的研制”。浙大海納主要從事單晶硅、半導體器件的開發(fā)、制造及自動化控制系統(tǒng)和儀器儀表開發(fā)，近幾年實現(xiàn)了高成長性的高速發(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。國外開發(fā)了兼具以上2種方法優(yōu)點的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。各種方法比較詳見表3。

移動電話用電子器件和光電器件市場快速增長的要求，使全球砷化鎵晶片市場以30的年增長率迅速形成數(shù)十億美元的大市場，預計未來20年砷化鎵市場都具有高增長性。日本是最大的生產(chǎn)國和輸出國，占世界市場的7080;美國在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)技術上領先一步。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)商情況見表4。國際上砷化鎵市場需求以4英寸單晶材料為主，而6英寸單晶材料產(chǎn)量和市場需求快速增加，已占據(jù)35以上的市場份額。研制和小批量生產(chǎn)水平達到8英寸。

我國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晶片主要依賴進口。砷化鎵生產(chǎn)主要原材料為砷和鎵。雖然我國是砷和鎵的資源大國，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7n，基本靠進口解決。

國內(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。主要競爭對手來自國外。中科鎵英2001年起計劃投入近2億資金進行砷化鎵材料的產(chǎn)業(yè)化，初期計劃規(guī)模為4英寸6英寸砷化鎵單晶晶片5萬片8萬片，4英寸6英寸分子束外延砷化鎵基材料2萬片3萬片，目前該項目仍在建設期。目前國內(nèi)砷化鎵材料主要由有研硅股供應，2002年銷售gaas晶片8萬片。我國在努力縮小gaas技術水平和生產(chǎn)規(guī)模的同時，應重視具有獨立知識產(chǎn)權的技術和產(chǎn)品開發(fā)，發(fā)展我國的砷化鎵產(chǎn)業(yè)。

3.3氮化鎵材料

gan半導體材料的商業(yè)應用研究始于1970年，其在高頻和高溫條件下能夠激發(fā)藍光的特性一開始就吸引了半導體開發(fā)人員的極大興趣。但gan的生長技術和器件制造工藝直到近幾年才取得了商業(yè)應用的實質(zhì)進步和突破。由于gan半導體器件在光電子器件和光子器件領域廣闊的應用前景，其廣泛應用預示著光電信息乃至光子信息時代的來臨。

2000年9月美國kyma公司利用aln作襯底，開發(fā)出2英寸和4英寸gan新工藝;2001年1月美國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)品開發(fā)方興未艾。目前進入藍光激光器開發(fā)的公司包括飛利浦、索尼、日立、施樂和惠普等。包括飛利浦、通用等光照及汽車行業(yè)的跨國公司正積極開發(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、美國等國家紛紛進行應用于照明gan基白光led的產(chǎn)業(yè)開發(fā)，計劃于2015年-2020年取代白熾燈和日光燈，引起新的照明革命。據(jù)美國市場調(diào)研公司strstegiesunlimited分析數(shù)據(jù)，2001年世界gan器件市場接近7億美元，還處于發(fā)展初期。該公司預測即使最保守發(fā)展，2009年世界gan器件市場將達到48億美元的銷售額。

因gan材料尚處于產(chǎn)業(yè)初期，我國與世界先進水平差距相對較小。深圳方大集團在國家“超級863計劃”項目支持下，2001年與中科院半導體等單位合作，首期投資8千萬元進行gan基藍光led產(chǎn)業(yè)化工作，率先在我國實現(xiàn)氮化鎵基材料產(chǎn)業(yè)化并成功投放市場。方大公司已批量生產(chǎn)出高性能gan芯片，用于封裝成藍、綠、紫、白光led，成為我國第一家具有規(guī)?；芯俊㈤_發(fā)和生產(chǎn)氮化鎵基半導體系列產(chǎn)品、并擁有自主知識產(chǎn)權的企業(yè)。中科院半導體所自主開發(fā)的gan激光器2英寸外延片生產(chǎn)設備，打破了國外關鍵設備部件的封鎖。我國應對大尺寸gan生長技術、器件及設備繼續(xù)研究，爭取在gan等第三代半導體產(chǎn)業(yè)中占據(jù)一定市場份額和地位。

4結(jié)語

不可否認，微電子時代將逐步過渡到光電子時代，最終發(fā)展到光子時代。預計到2010年或2014年，硅材料的技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展將走向極限，第二代和第三代半導體技術和產(chǎn)業(yè)將成為研究和發(fā)展的重點。我國政府決策部門、半導體科研單位和企業(yè)在現(xiàn)有的技術、市場和發(fā)展趨勢面前應把握歷史機遇，迎接挑戰(zhàn)。

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第3篇：半導體光電技術范文

關鍵詞：光導光導開關；皮秒；脈沖發(fā)生器

中圖分類號：TN782 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 (2012) 11-0000-02

準確可靠的觸發(fā)是脈沖功率技術研究的重要內(nèi)容。隨著脈沖功率技術的發(fā)展，觸發(fā)源技術也日新月異，新型觸發(fā)源不僅要求快導通前沿、高重復頻率還要有高穩(wěn)定度。上世紀70年代在線性和非線性兩種模式下，它對控制光脈沖有很好的響應，幾乎可以實現(xiàn)與光同步，它帶領著脈沖功率觸發(fā)技術走到了另一個時代。

一、光導開光

光導半導體開關（Photoconductive Semiconductor Switch，PCSS）是超快脈沖激光器和光電半導體相結(jié)合形成的新型器件，通過觸發(fā)光對半導體材料電導率的控制實現(xiàn)開關的關斷和導通。PCSS具有響應速度快（小于0.6ps），重復率高（GHz量級）、易于精確同步（觸發(fā)晃動僅ps量級）、不易受電磁干擾（光電隔離）、耐高壓、寄生電感電容小、結(jié)構簡單靈活等優(yōu)點。隨著研究的不斷深入，至今已能利用光導開光技術研制太赫茲脈沖發(fā)生器，結(jié)合fs激光觸發(fā)，光導開光可以產(chǎn)生高功率皮秒脈沖和脈寬在ps量級的電磁輻射，擁有從接近直流到THz級的超寬頻帶，為超寬帶雷達的實現(xiàn)提供了可能。

GaAs光電導開關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)光電效應工作原理。

（一）光導開光結(jié)構

常見的光導開關結(jié)構有橫向結(jié)構、平面結(jié)構和相對電極結(jié)構。根據(jù)光電導開關的偏置電場和觸發(fā)光脈沖的入射方向關系可將開關分為橫向開關和縱向開關兩種基本結(jié)構，如圖2所示。當觸發(fā)光脈沖入射方向與開關偏置電場方向相互垂直時，為橫向結(jié)構的光電導開關。當觸發(fā)光脈沖入射方向與開關偏置電場方向相互平行時，為縱向結(jié)構的光電導開關。

橫向光電導開關光作用區(qū)域面積大。無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，開關的峰值電流、上升時間和脈寬僅僅依賴于觸發(fā)光脈沖的幅值、脈寬、載流子復合時間和開關所處電路結(jié)構。橫向光電導開關的缺點是在工作時，由于偏置電場穿通開關整個表面，從而使得開關的表面擊穿場強遠小于材料的本征擊穿強度。開關常常會出現(xiàn)表面閃絡或沿面放電等現(xiàn)象，從而大大限制了開關的耐壓能力和功率容量。

縱向結(jié)構開關可以減少開關表面電場，從而提高開關的擊穿電壓。但這種開關的主要缺點是開關至少需要一個透明電極，而這種透明電極的制作工藝非常復雜。此外開關芯片的吸收深度對開關的瞬態(tài)特性有較大影響。

橫向開關和縱向開關各有優(yōu)缺點，具體選用哪一種結(jié)構的開關，要根據(jù)開關的具體應有來決定。由于橫向光電導開關制作簡單，有較大光照面積和電導通道，可以用較寬波長范圍的光來觸發(fā)，因而在制作大功率光電導開關時主要采用橫向結(jié)構的開關。

（二）光導開關半導體材料

光導開關的發(fā)展與半導體材料技術的發(fā)展密切相關。在半導體材料的發(fā)展過程中，一般將以硅（Si）為代表的半導體材料稱為第一代半導體材料；將以砷化鎵（GaAs）為代表的化合物半導體稱為第二代半導體材料：將以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶化合物半導體稱為第三代半導體材料。與之相對應，相繼出現(xiàn)了Si光導開關、GaAs光導開關和SiC光導開關。

Si光導開關，由于Si禁帶寬度窄，載流子遷移率低等特點不適合制作超快大功率光導開關；GaAs光導開關，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熱導率低、抗高輻射性能較差，運行過程中容易出現(xiàn)熱奔和鎖定效應，限制了GaAs光導開關窄高溫、高重復速率、高功率和高輻射環(huán)境中的使用；SiC光導開關可以將觸發(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

項目主要任務就是研制一個高穩(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，打開電光開關，輸出脈寬約為2ns的光脈沖，驅(qū)動光導開關輸出高壓脈沖信號。要求輸出的高壓脈沖信號前沿小于200ps，幅度為3～5kV，系統(tǒng)晃動時間不大于250ps。

本方案的基本工作原理如圖3所示：利用高壓電源對儲能電容充電，充電完成后，激光器在接到觸發(fā)脈沖指令時，發(fā)出脈寬為2ns的光脈沖信號驅(qū)動光導開關，儲能電容內(nèi)存儲的能量通過光導開關釋放到取樣電阻上，輸出高壓脈沖信號。

本項目技術關鍵點主要在于兩個方面：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的時間間隔T1的穩(wěn)定性。為了獲得滿足技術指標要求的主脈沖信號，主放電回路擬采用光導開關對貯能元件進行放電。由于光導開關具有高速導通和關斷、高穩(wěn)定性的特點，只要選擇合適的基本回路參數(shù)可以確保獲得高質(zhì)量的滿足指標要求的主脈沖信號。電路基本參數(shù)仿真機波形如圖4、5、6所示。

三、結(jié)論

光導開關在2ns激光脈沖控制下，輸出高壓脈沖與控制光脈沖響應良好，上升時間169ps，脈寬2ns。利用光導開關設計的皮秒脈沖發(fā)生器可以在重復頻率下工作，圖7為75kHz下高壓脈沖輸出波形。

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第4篇：半導體光電技術范文

[關鍵詞]環(huán)鄱陽湖；南昌；LED產(chǎn)業(yè)

2006年12月中旬召開的江西省第十二次黨代會上，江西省委、省政府提出了構建“環(huán)鄱陽湖經(jīng)濟圈”的發(fā)展戰(zhàn)略構想，隨后江西省發(fā)展改革委員會出臺了《環(huán)鄱陽湖經(jīng)濟圈規(guī)劃(2006～2010)》，這是江西策應中部崛起戰(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)濟圈”規(guī)劃。2008年“兩會”期間，江西代表團又提出了建設“環(huán)鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)”的戰(zhàn)略構想，積極爭取列入國家規(guī)劃，上升為國家的區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略。江西省省長吳新雄指出，建立環(huán)鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)，是實現(xiàn)江西崛起新跨越的必然選擇，是爭取江西在全國區(qū)域發(fā)展格局中有利地位的戰(zhàn)略抉擇，必將對全省經(jīng)濟社會又好又快發(fā)展產(chǎn)生積極的促進作用。鄱陽湖是全國最大的淡水湖，是江西生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢的集中體現(xiàn)。如何利用生態(tài)這一優(yōu)勢，把握機遇，實現(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)基地建設的角度對環(huán)鄱陽湖經(jīng)濟圈龍頭城市――南昌LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展問題進行探討。

一、環(huán)鄱陽湖經(jīng)濟圈發(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、啟動時間短、結(jié)構牢固、體積小、美化生活七大優(yōu)點，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，也被公認為21世紀最具發(fā)展前景的高技術領域之一。

(二)環(huán)鄱陽湖經(jīng)濟圈發(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)鄱陽湖經(jīng)濟圈內(nèi)培養(yǎng)新的經(jīng)濟增長點

為了節(jié)能減排，提倡使用綠色資源，近年來世界各主要發(fā)達國家相繼制定相應的國家級LED發(fā)展計劃，加大研發(fā)力度，欲搶占半導體照明新興產(chǎn)業(yè)制高點。美國能源部曾經(jīng)預測，2008年，全球LED產(chǎn)業(yè)規(guī)模達到74.99億美元(數(shù)據(jù)不包括LED應用產(chǎn)業(yè))，年均增長率近20％。到2010年，美國將有55％的白熾燈和熒光燈被半導體燈所替代，每年節(jié)約電費可達350億美元，預計到2015年，半導體燈將形成500～1000億美元的大產(chǎn)業(yè)。

我國是世界照明電器生產(chǎn)和出口大國之一，擁有巨大的照明工業(yè)和照明市場。經(jīng)過多年的快速發(fā)展，我國在LED領域已具備一定技術和產(chǎn)業(yè)基礎。目前中國LED產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成四大片區(qū)(珠三角、長三角、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、揚州、石家莊)。

基于國內(nèi)外發(fā)展LED產(chǎn)業(yè)的背景下，環(huán)鄱陽湖經(jīng)濟圈從自身條件出發(fā)，欲將南昌LED產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)成為圈內(nèi)新的經(jīng)濟增長點。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)勢恰好與江西省“生態(tài)立省”的指導思想一致；另一方面，作為我國第一批半導體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地，南昌LED產(chǎn)業(yè)基礎良好、發(fā)展迅速。2008年，高新區(qū)LED產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過50億元，銷售收入連續(xù)五年進入全國前五名。2012年前，南昌市將重點實施有關LED產(chǎn)業(yè)的12個重大工程和項目，這批項目總投資88億元，建成投產(chǎn)后可實現(xiàn)銷售收入100億元以上，遠期規(guī)劃工程和項目3個，總投資超過200億元，預期經(jīng)濟效益可達800億元。

2.發(fā)展南昌LED產(chǎn)業(yè)有利于環(huán)鄱陽湖經(jīng)濟圈調(diào)整和優(yōu)化經(jīng)濟結(jié)構，促進區(qū)域內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構升級

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，各國將陸續(xù)禁用白熾燈。中國已經(jīng)出臺LED產(chǎn)品推廣補貼、LED研究資助、全國七大LED產(chǎn)業(yè)基地建設等宏觀政策，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，優(yōu)先發(fā)展LED產(chǎn)業(yè)可引導南昌大規(guī)模應用LED照明技術及產(chǎn)品，以此更新節(jié)能環(huán)保照明的消費理念，還可調(diào)整傳統(tǒng)照明產(chǎn)業(yè)結(jié)構，加快環(huán)湖區(qū)內(nèi)照明產(chǎn)業(yè)的結(jié)構升級。

3.發(fā)展南昌LED產(chǎn)業(yè)有利于帶動環(huán)鄱陽湖經(jīng)濟圈內(nèi)相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

半導體照明產(chǎn)業(yè)涉及節(jié)能、環(huán)保、高技術、微電子、基礎裝備制造等諸多領域，發(fā)展半導體照明產(chǎn)業(yè)，對信息產(chǎn)業(yè)、汽車電子、原材料與裝備制造、消費類電子、航空航天、太陽能光伏以及整個光電子產(chǎn)業(yè)等領域均起到重要帶動作用。特別是根據(jù)《環(huán)鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)規(guī)劃》的要求，欲以環(huán)湖中心城市為重點，建立航空產(chǎn)業(yè)基地及汽車、零部件生產(chǎn)基地等。可以預計半導體照明的廣泛應用，將顯著提高這些產(chǎn)品的附加值，加快各基地的落成，并且在巨大的市場需求拉動下，發(fā)展半導體照明產(chǎn)業(yè)將帶動我國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)狀及其存在的問題

經(jīng)過近三十年的發(fā)展，南昌市半導體發(fā)光材料與器件在全國已具有比較明顯的優(yōu)勢，LED產(chǎn)業(yè)已成為南昌市重點扶持產(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(光電子領域)高技術成果產(chǎn)業(yè)化基地。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，外延材料、LED芯片、器件及應用產(chǎn)品均實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。上游產(chǎn)業(yè)，晶能光電依托南昌大學開發(fā)的硅襯底藍光LED技術打破了此前日本日亞公司壟斷藍寶石村底和美國Cree公司壟斷碳化硅襯底半導體照明技術的局面，形成了國際半導體照明上游技術的三足鼎立。借助這一優(yōu)勢，南昌市在上游技術上與北京、上海、廣州、深圳等地同處國內(nèi)第一梯隊；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(大陸)最大，聯(lián)創(chuàng)光電依托上游產(chǎn)能優(yōu)勢，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應用領域已初具規(guī)模，劃分為LED器件、LED顯示屏、LED液晶背光源和LED照明等四大應用產(chǎn)品集群?？傮w來看，應用產(chǎn)品的技術力量和企業(yè)規(guī)模還相當薄弱，產(chǎn)品附加值低。

南昌作為我國半導體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地之一，國家“十城萬盞”半導體照明應用工程試點城市，在國內(nèi)半導體照明產(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)模的半導體照明企業(yè)15家，從業(yè)人員3200余人，1／3為工程技術人員，年產(chǎn)銷半導體發(fā)光產(chǎn)品100多億套，占全國市場25％以上。經(jīng)過多年的發(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)的一個較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，形成了互有分工、關聯(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、手機背光源及照明等各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。2008年，高新區(qū)LED產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過50億元，銷售收入連續(xù)五年進入全國前五名，已經(jīng)產(chǎn)生了一定的產(chǎn)業(yè)集聚效應。

三、南昌市LED產(chǎn)業(yè)存在的問題

1.LED產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展不完善

首先南昌國家高新區(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)基礎較薄弱的影響，產(chǎn)業(yè)配套能力較弱，和其他國家半導體照明基地相比有一定差距。其次公共服務體系的不完善制約了南昌國家高新區(qū)LED產(chǎn)業(yè)集群內(nèi)中小企業(yè)的發(fā)展。再次從整個產(chǎn)業(yè)鏈來看，存在上中下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展不均衡，應用產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化能力弱的問題。特別是LED照明光源、燈具等應用產(chǎn)品，始終不能獨立形成大規(guī)模應用產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的能力。

2.LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術還有待創(chuàng)新

我市擁有完全自主知識產(chǎn)權的硅襯底藍光LED芯片與器件，還存在亮度不夠等困難；龍頭企業(yè)缺乏，與歐美和臺灣地區(qū)的大公司相比，不論是技術力量還是企業(yè)規(guī)模都相當薄弱；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)展市場開拓不夠

LED產(chǎn)品升級換代快，市場競爭導致價格下降，企業(yè)的利潤減少，影響對新產(chǎn)品的投資研發(fā)。與此同時設計及研發(fā)成本急速上升，應用產(chǎn)品又還沒有進入千家萬戶，使得LED照明產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)投入大產(chǎn)出小現(xiàn)象。加之招商引資重點不明確，開拓市場顯得更加困難。

5.政府對LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術研發(fā)投入嚴重不足

南昌市雖然從2004年起，設立光電子產(chǎn)業(yè)化專項資金，用于支持南昌光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展，但是這一專項資金每年共計才600萬元，與其它基地的政府投入相比，與發(fā)展該產(chǎn)業(yè)對我市未來經(jīng)濟發(fā)展的重要地位相比，從LED產(chǎn)業(yè)高投入、高風險的實際來看，政府投入嚴重不足。

四、發(fā)展南昌LED產(chǎn)業(yè)的對策措施

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)帶動型模式。

具體做法：依托南昌國家高新區(qū)具有的優(yōu)勢，即晶能光電(江西)有限公司具有完全自主知識產(chǎn)權的硅襯底GaN基技術優(yōu)勢，金沙江產(chǎn)業(yè)園的投資帶動優(yōu)勢，上市公司聯(lián)創(chuàng)光電的融資優(yōu)勢。以及本地的勞動力廉價優(yōu)勢，在培育一批龍頭企業(yè)的基礎上，建設具有南昌國家高新區(qū)LED產(chǎn)業(yè)特色的三大產(chǎn)業(yè)集群。借助技術領先優(yōu)勢和勞動力廉價優(yōu)勢，努力開拓國際市場，將南昌國家高新區(qū)建設為LED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，以金沙江為帶動，積極開展招商引資工作，將金沙江產(chǎn)業(yè)園建設為LED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)勢和電子元器件的生產(chǎn)優(yōu)勢，搶占全國電子元器件的市場份額，建立品牌優(yōu)勢，打造南昌國家高新區(qū)LED產(chǎn)業(yè)的一大特色產(chǎn)品。在此基礎上，以市場為主導，積極引進LED產(chǎn)業(yè)投資，全面推進LED應用產(chǎn)品的生產(chǎn)。

2.大力實施技術創(chuàng)新與人才戰(zhàn)略

進一步深入硅襯底GaN基核心技術的研究，將專利技術覆蓋所有LED生產(chǎn)領域，形成LED國際和國家技術標準。通過技術攻關與研究開發(fā)，力爭在功率型及超高亮度LED外延片和芯片制造技術、高性能LED封裝技術等關鍵技術和工藝上有所突破，全面提升LED產(chǎn)業(yè)的技術檔次和水平。技術的創(chuàng)新需要人才的支撐，南昌市政府應完善現(xiàn)有的人才引進政策，通過在住房、職稱評定、子女求學等方面適當照顧大力引進一批高端管理人才和創(chuàng)新型技術人才，為LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強有力的智力支撐；以此同時，充分借助高校與科研院所的優(yōu)勢，分別在大學、大專、中專等院校建立LED相關學院和系，按照LED產(chǎn)業(yè)所需的人才梯度，培養(yǎng)研發(fā)專才、工程師和技術工人等一系列人才，為南昌國家高新區(qū)LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供完善的人才保障。

3.拓展應用領域，以應用促產(chǎn)業(yè)發(fā)展

針對我市LED應用產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化能力弱的問題，本文的構思是建議以新構思、新技術、新產(chǎn)品引導新的應用。目前在城市路燈照明、室內(nèi)裝飾燈、汽車用照明等領域的LED應用才剛起步，還有很大發(fā)展空間，要通過政府采購、政府首購，新技術、新產(chǎn)品展示會，現(xiàn)場試用表演和建立示范工程等方式進行推廣，不斷擴大應用范圍和規(guī)模，并最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

4.為企業(yè)和研發(fā)機構提供廣闊的投融資渠道

LED產(chǎn)業(yè)的研發(fā)投入資金大、風險系數(shù)高，政府應為企業(yè)和研發(fā)機構提供廣闊的投融資渠道。具體做法；一是對于符合LED結(jié)構調(diào)整方向的技術改造項目、技術創(chuàng)新項目及固定資產(chǎn)投資項目的LED企業(yè)可批準其申請貸款貼息。二是對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，市政府指導擔保機構對企業(yè)提供流動資金貸款擔保，企業(yè)再分期向銀行還貸。解決企業(yè)本身授信不夠、政府貸款過度、政策不可控制和延續(xù)性問題。四是成立LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金，市財政在規(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2000萬元專項資金，第三年安排4000萬元專項資金，用于扶持半導體照明產(chǎn)品的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化、公共服務平臺建設與維護、示范應用的補助和工作經(jīng)費等方面，各開發(fā)區(qū)、各縣區(qū)都要安排一定資金用于半導體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展和推廣應用。此外，通過舉行經(jīng)貿(mào)會等形式進行重點招商引資。

參考文獻

[1]王萬山，黃建軍，《鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)開放型經(jīng)濟研究》[C].江西人民出版社，2008(12)。

[2]南昌市科技局，《南昌市半導體照明(LED)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2009～2015)》[M].http：//ncinfo.省略.2010。

第5篇：半導體光電技術范文

陳朝，福州市人，1943年出生于福建省永安市，主要研究方向為半導光電體材料、器件和應用，涉及信息光電子學、半導體照明和光伏發(fā)電等領域。陳朝畢業(yè)于廈門大學物理系，學習了“無線電電子學”和“半導體物理與半導體器件物理”兩個專業(yè)；1965年，在導師的建議下，年輕好學的陳朝繼而選擇了半導體光電研究方向，這為他后來的發(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，那時他作為高級訪問學者，被國家教委公派到加拿大多倫多大學和白俄羅斯大學工作，負責由國家科委下達的、與白俄羅斯科學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”國際合作項目，并設計了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光電探測器和MISFET放大器。

在此過程中，陳朝研制出了高速、低暗電流、高響應度的InGaAs/InP PIN光電探測器芯片，集成了異質(zhì)結(jié)分離、開管擴散、氧化鋁抗反射膜等新技術?！斑@個芯片已經(jīng)進行了TO―46及帶尾纖的單管和PIN―TIA結(jié)構光電放大器組件封裝測試，傳輸速率為655Mbps～2.5bps，現(xiàn)已獲得‘InGaAs/InP PIN光電探測器及其制造工藝’發(fā)明專利?！标惓f。2003年3月，由科技部和福建省科技廳組織的驗收鑒定認為該工藝達到國際先進水平；2005年，該工藝獲省市發(fā)改委80萬元經(jīng)費支持，在校辦企業(yè)進行了產(chǎn)業(yè)化。

繼芯片之后，陳朝又利用正性光刻剝離工藝，在國內(nèi)首次研制成功新型多動能光控HEMT器件。他說：“該器件可用于光電集成電路，能夠探測高頻光纖信號并將其放大，是一件具有源頭創(chuàng)新特點的產(chǎn)品?！苯柚鷩鴥?nèi)合作的機會，陳朝完成了材料結(jié)構設計、生長和測量、版圖設計制備、器件工藝、TO和雙列直插型封裝、靜態(tài)和光敏特性測量等工作，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，對半導體光電材料和器件的發(fā)展起了良好的推動作用。

多晶硅的提純一直是我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的難題，陳朝憑借自己的專業(yè)知識，解決了這一難題。據(jù)悉，在進行“低成本多晶硅提純及太陽能電池的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”研究中，他采用精細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以上的太陽能級多晶硅；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11%的太陽能電池。這兩項技術突破了長期制約我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

陳朝在半導體光電材料和器件領域的成就，遠不止上面羅列的這些。他所負責的“863”計劃和國家自然科學基金“激光誘導下的GaN P-型摻雜和P-型歐姆接觸”項目，達到GaN空穴濃度超過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，并獲得兩項發(fā)明專利。該項目屬國際首創(chuàng)，處于國內(nèi)最好的水平。陳朝說，目前該方法已經(jīng)用于GaN藍色和白光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了器件的工作壽命，經(jīng)濟效益良好。

此外，受廈門三優(yōu)公司委托，陳朝研制的在650mm波長光照下，光響應度達0.4A/W的硅光電探測器，獲得實用新型專利并申請了國家發(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體光電性質(zhì)，首次成功研制出類金剛石薄膜MSM結(jié)構的紫光和紫光電探測器，且自主設計和委托加工、封裝研發(fā)了用于CD機上的單片集成光電探測放大器，填補了國內(nèi)空白。

自投身科研以來，陳朝的日程被安排得滿滿當當，要找出一點空閑著實不容易。他放棄了清閑的日子，用幾十年的辛勞耕耘換來了碩果等身，不僅在半導體光電材料和器件領域取得成績，在光纖通信和有線電視領域也同樣成就卓越。

1999年12月，由陳朝負責的“10Mbps、100Mbps光線收發(fā)器”項目，順利通過福建省科技廳組織的成果鑒定，專家意見一致認為：“本成果在協(xié)議芯片的功能開發(fā)、防止高頻信號相互耦合和實現(xiàn)光電接口等方面的設計上，具有創(chuàng)新性和先進性，項目技術已達國際同類產(chǎn)品先進水平，性價比優(yōu)于國際同類產(chǎn)品，有較強的市場競爭力?！蓖瑫r，該項目還榮獲廈門市2000年科技進步三等獎、福建省2001年科技進步獎二等獎以及2項發(fā)明專利、2項實用新型專利和第十四屆全國發(fā)明展覽會銀獎。

陳朝說，由于自己一直從事半導體光電器件的研究，所以進入光通信領域?qū)λ麃碚f是很自然的事情，而他在光通信領域為人所稱道的，是他在科研成果轉(zhuǎn)化方面的貢獻。據(jù)悉由他負責開發(fā)的“10Mbps、100Mbps光纖收發(fā)器”、“三端口高性價比普及型有線電視光接收機”和“用于有線電視網(wǎng)絡的雙向工作站”等成果現(xiàn)已全部轉(zhuǎn)讓給企業(yè)進行批量生產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟效益。

為了實現(xiàn)高速、寬帶、低成本的全光網(wǎng)絡通信，突破最后一公里瓶頸，真正實現(xiàn)光纖到戶（FTTH），近年來他致力于塑料光纖通信的新領域研發(fā)。他說：“我們采用850nm波長成功實現(xiàn)了點對點通信以及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現(xiàn)20Mpbs高速寬帶低成本上網(wǎng)?！贝送?，陳朝不僅在國內(nèi)首次研制出用于密集波分復用的石英小球衛(wèi)星諧振腔光纖分叉器，并且還對其工作原理和制備方法進行了有效探索，為我國微腔光纖通信事業(yè)的發(fā)展奠定了堅實基礎。

第6篇：半導體光電技術范文

關鍵詞：半導體激光電源；MAX1968；TEC；TTL；溫度控制

中圖分類號：TN789文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）09-0021-02

一、半導體激光電源的發(fā)展及技術要求

目前，半導體激光器在通信技術、生物醫(yī)學工程、軍工技術等領域的應用越來越廣泛。因此半導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溫度十分敏感，因此溫度的變化嚴重影響著整個器件的性能，因此，溫度控制電路對整個激光器件的品質(zhì)是非常關鍵的。小功率的激光器可以采用簡單的被動散熱；高功率的激光器一般需要水冷，通過調(diào)節(jié)循環(huán)管道內(nèi)水流量來達到控溫的目的，這種方法精度不高，而且受到應用環(huán)境的限制，使激光器的應用范圍變窄。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，通過調(diào)節(jié)流經(jīng) TEC 的電流方向和大小，可以實現(xiàn)制冷或者加熱，實現(xiàn)較高的控溫效率，同時達到理想的控溫精度。

二、半導體激光電源的系統(tǒng)設計

如圖1的系統(tǒng)框圖，整個系統(tǒng)分為三個部分，分別為激光電源（LASOR DIODE，簡稱LD）恒流輸出部分，TTL電平控制部分以及半導體制冷器（Thermal Electronic Cooler， TEC）溫度監(jiān)測與控制部分。

在激光電源恒流輸出部分中，首先用一個模塊電源將市電的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，最后通過一個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TTL電平控制恒流電路中輸出MOS管的導通與關閉以達到調(diào)制激光的功能。

在TEC溫度監(jiān)測與控制部分中，激光器表面的溫度信號首先通過一個溫度-電壓傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)榭刹杉臉藴孰妷盒盘枺魉徒o比例電路。電壓信號通過比例電路的放大與濾波后，傳送給TEC驅(qū)動電路和比較電路。TEC的驅(qū)動電路將接收到的信號與基準值相比較，以驅(qū)動TEC不工作、制熱或者制冷。比較電路將接收來的信號與基準值進行比較與分析，當溫度超過預設的溫度上下限值時，發(fā)送出一個警報信號迫使整個電源停止工作。

三、半導體激光電源的硬件連接

硬件連接主要分為兩個部分，第一部分是半導體激光器部分，為激光器提供穩(wěn)定的輸出，同時利用TTL信號和警報信號控制電源的工作狀態(tài)；第二部分是TEC驅(qū)動及警報信號產(chǎn)生電路，通過MAX1968控制TEC制冷或制熱。

（一）半導體激光器（LASOR DIODE）

電源所提供的某一個電參量必須是穩(wěn)定的，并且所攜帶的噪聲信號越小越好。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，以達到穩(wěn)定的小功率輸出。如圖2，在濾波電路中設置了兩個滑動變阻器，用來調(diào)節(jié)輸入到運算放大器AD820的電壓信號值。其中用作粗調(diào)，用作微調(diào)，分別引出兩根導線，安裝手動旋鈕式變阻器，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，以達到恒流輸出。

在TTL與警報信號控制電路中，信號通過4N25輸入到VMOS管T092C的基極，以控制其導通或截止。光電耦合器4N25主要用來隔離前后級電路的相互影響，同時控制Q2（T092C）的導通與截止，以調(diào)節(jié)恒流輸出的導通與截止。電路工作過程：當激光器工作在指定溫度范圍內(nèi)時，警報信號為低電平，此時，若TTL信號為高電平時，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）導通，從而輸出恒定的電流值；而若TTL信號為低電平，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導通，輸出電壓導致Q2基極為高電平，Q2導通，從而使AD820的輸出端降為低電平，導致MOS管Q1（BU932RP）截止，則LD部分無輸出。而當警報信號為高電平時，無論TTL信號為高電平或者低電平，都會導致U102A的輸出端為高電平，從而使LD部分無輸出。

（二）TEC驅(qū)動及報警信號產(chǎn)生電路

熱電致冷器（TEC）是利用帕耳貼效應進行制冷或加熱的半導體器件。在TEC兩端加上直流工作電壓會使TEC的一端發(fā)熱，另一端致冷；把TEC兩端的電壓反向則會導致相反的熱流向。本系統(tǒng)使用MAX1968為TEC的驅(qū)動芯片，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“死區(qū)”溫度控制，以及避免了輕載電流時的非線性問題。該方案通過少許加熱或制冷可避免控制系統(tǒng)在調(diào)整點非常接近環(huán)境工作點時的振蕩。此系統(tǒng)中設置的基準值是3v（對應的溫度值為25℃），當傳感器感知的溫度大于25℃時，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TEC制冷；當傳感器感知的溫度小于25℃時，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TEC制熱。

傳感器將感知的溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過反向放大器傳輸給U2A的3管腳和U2B的2管腳，U2A和U2B是兩個比較器（LM393）。在比較電路中，設置了兩個極限電壓值和一個基準值，上限是4.5（對應的傳感器溫度為0℃），下限值是1.5v（對應傳感器溫度為50℃），當時，U2B輸出一個正向電壓，二極管D2導通，警報信號為高電平，同時三極管Q3導通，蜂鳴器報警；當時，U2A輸出一個正向電壓，二極管D1導通，警報信號為高電平，同時三極管Q3導通，蜂鳴器報警；而時，U2A和U2B都輸出反向的電壓，二極管D1和D2同時截止，警報信號為低電平，三極管Q3截止，蜂鳴器不工作。

四、實驗數(shù)據(jù)

（一）LD部分電路測試數(shù)據(jù)

將電源輸出接到半導體激光器上，正常工作時測試結(jié)果見表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。測試結(jié)果基本接近所設值，測試完成。

（二）警報信號電路部分調(diào)試數(shù)據(jù)

激光電源的設計要求是傳感器模擬信號以25℃（對應電壓為3V）為基準工作溫度，標準輸出2V/3A。當傳感器輸出電壓信號高于3V時則說明激光器溫度較低，需要制熱，低于0℃溫度時，LD部分停止工作，蜂鳴器報警；低于3V時則說明激光器溫度過高，需要制冷，高于50℃溫度時，LD部分停止工作，蜂鳴器報警。測試結(jié)果見表2：

從測試數(shù)據(jù)來看，該激光電源的參數(shù)，性能，指標完全滿足設計需要。

五、結(jié)語

本文采用了MAX1968驅(qū)動芯片，大大減少了電路分立元件的數(shù)量，改進了系統(tǒng)噪聲性能，增加了系統(tǒng)的可靠性， 有效地對激光器的工作溫度進行監(jiān)測與控制，電路的控制性能令人滿意。電源設備可靠性的高低，不僅與電氣設計，而且同元器件、結(jié)構、裝配、工藝、加工質(zhì)量等方面有關。可靠性是以設計為基礎，在實際工程應用上，還應通過各種試驗取得反饋數(shù)據(jù)來完善設計，進一步提高電源的可靠性。

參考文獻

[1]梁國忠，梁作亮．激光電源電路[M]．北京：兵器工業(yè)出版社，1995.

[2]陸國志．實用電源技術手冊――開關電源分冊[M]．沈陽：遼寧科學技術出版社，2008．

第7篇：半導體光電技術范文

關鍵詞半導體材料量子線量子點材料光子晶體

1半導體材料的戰(zhàn)略地位

上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業(yè)革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進了光纖通信技術迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術產(chǎn)業(yè)，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學技術的發(fā)展和應用，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)濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>

2幾種主要半導體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

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。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現(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）技術正處在由實驗室向工業(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年完成評估。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，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對現(xiàn)有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題，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)集成芯片技術等來提高ULSI的集成度、運算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計算和DNA生物計算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導體材料，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，這也是目前半導體材料研發(fā)的重點。

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；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特的優(yōu)勢。

目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過200噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的2－3英寸的導電GaAs襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，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單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。

GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢是：

（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產(chǎn)，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業(yè)應用。

（2）。提高材料的電學和光學微區(qū)均勻性。

（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。

（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長技術發(fā)展很快，很有可能成為主流技術。

2.3半導體超晶格、量子阱材料

半導體超薄層微結(jié)構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現(xiàn)了“電學和光學特性可剪裁”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基晶格匹配和應變補償材料體系已發(fā)展得相當成熟，已成功地用來制造超高速，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器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導體量子阱激光器已商品化；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達到或接近達到實用化水平。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)動電路所需的低維結(jié)構材料是解決光纖通信瓶頸問題的關鍵，在實驗室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實驗。另外，用于制造準連續(xù)兆瓦級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)構端面發(fā)射激光器是目前光電子領域占統(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)量子級聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級聯(lián)激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續(xù)輸出功率超過10瓦好結(jié)果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區(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，在未來光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應用前景。

為克服PN結(jié)半導體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實驗室發(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聯(lián)激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來，Bell實驗室等的科學家，在過去的7年多的時間里，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展。2001年瑞士Neuchatel大學的科學家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結(jié)構使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續(xù)輸出功率3mW.量子級聯(lián)激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠紅外波段（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)制器和無線光學連接等方面顯示出重要的應用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯(lián)激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準連續(xù)應變補償量子級聯(lián)激光器，使我國成為能研制這類高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個國家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結(jié)構材料發(fā)展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產(chǎn)型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產(chǎn)能力可高達3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的PicogigaMBE基地，美國的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設備的成熟與應用，必然促進襯底材料設備和材料評價技術的發(fā)展。

（2）硅基應變異質(zhì)結(jié)構材料。

硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發(fā)光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經(jīng)多年研究，但進展緩慢。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，Ge／Si量子點和量子點超晶格材料，Si／SiC量子點材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發(fā)光器件和有關納米硅的受激放大現(xiàn)象的報道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應用前景，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而導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，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(xié)變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進展。

2.4一維量子線、零維量子點半導體微結(jié)構材料

基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發(fā)展與應用，極有可能觸發(fā)新的技術革命。

目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個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展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯(lián)合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達3.6～4W.特別應當指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點激光器的有源區(qū)材料結(jié)構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產(chǎn)生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)輸出功率為1W時工作壽命超過5000小時，這是大功率激光器的一個關鍵參數(shù)，至今未見國外報道。

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展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術實現(xiàn)了128Mb的單電子存貯器原型樣機的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應用方面邁出的關鍵一步。目前，基于量子點的自適應網(wǎng)絡計算機，單光子源和應用于量子計算的量子比特的構建等方面的研究也正在進行中。

與半導體超晶格和量子點結(jié)構的生長制備相比，高度有序的半導體量子線的制備技術難度較大。中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組，在繼利用MBE技術和SK生長模式，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)構的基礎上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準（垂直或斜對準）的物理起因和生長控制進行了研究，取得了較大進展。

王中林教授領導的喬治亞理工大學的材料科學與工程系和化學與生物化學系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發(fā)技術，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對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)構均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達數(shù)毫米。這種半導體氧化物納米帶是一個理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領導的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導體量子線超晶格結(jié)構的生長制各方面也取得了重要進展。

低維半導體結(jié)構制備的方法很多，主要有：微結(jié)構材料生長和精細加工工藝相結(jié)合的方法，應變自組裝量子線、量子點材料生長技術，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術，單原子操縱和加工技術，納米結(jié)構的輻照制備技術，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學方法制備量子點和量子線的技術等。目前發(fā)展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結(jié)構的應變自組裝可控生長技術，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結(jié)構。

2.5寬帶隙半導體材料

寬帶隙半導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，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發(fā)光二極管（LED）和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發(fā)光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發(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140GHz，fT=67GHz，跨導為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發(fā)展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業(yè)有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍光激光器和GaN基電子器件的發(fā)展。另外，近年來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，這是因為它們在長波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應用前景。

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基材料襯低的藍綠光LED業(yè)已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發(fā)光器件的竟爭。其他SiC相關高溫器件的研制也取得了長足的進步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點而得到迅速發(fā)展。1991年3M公司利用MBE技術率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導體激光（材料）器件研制的。經(jīng)過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發(fā)展和應用，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配比導致的點缺陷密度和進一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問題。

寬帶隙半導體異質(zhì)結(jié)構材料往往也是典型的大失配異質(zhì)結(jié)構材料，所謂大失配

異質(zhì)結(jié)構材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對稱性等物理參數(shù)有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發(fā)界面處大量位錯和缺陷的產(chǎn)生，極大地影響著微結(jié)構材料的光電性能及其器件應用。如何避免和消除這一負面影響，是目前材料制備中的一個迫切要解決的關鍵科學問題。這個問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應用領域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發(fā)展的關鍵問題，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與N型摻雜，II－VI族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關鍵問題，國內(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)構材料，介電常數(shù)周期的被調(diào)制在與工作波長相比擬的尺度，來自結(jié)構單元的散射波的多重干涉形成一個光子帶隙，與半導體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態(tài)晶體中的能帶論來描述三維周期介電結(jié)構中光波的傳播，相應光子晶體光帶隙（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展，但三維光子晶體的研究，仍是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進展。

4量子比特構建與材料

隨著微電子技術的發(fā)展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發(fā)展基于全新原理和結(jié)構的功能強大的計算機是21世紀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密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計算機是應用量子力學原理進行計的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)計算機有更快的運算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計算機理想極限。實現(xiàn)量子比特構造和量子計算機的設想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現(xiàn)大規(guī)模量子計算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實現(xiàn)其邏輯運算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計算機要工作在mK的低溫下。

這種量子計算機的最終實現(xiàn)依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發(fā)展。除此之外，為了避免雜質(zhì)對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質(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絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規(guī)則的磷原子陣列等是實現(xiàn)量子計算的關鍵。量子態(tài)在傳輸，處理和存儲過程中可能因環(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)模計算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計算機走向?qū)嵱没八匦杩朔碾y題。

5發(fā)展我國半導體材料的幾點建議

鑒于我國目前的工業(yè)基礎，國力和半導體材料的發(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的主導地位

至少到本世紀中葉都不會改變，至今國內(nèi)各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進口。目前國內(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)。建議國家集中人力和財力，首先開展8英寸硅單晶實用化和6英寸硅外延片研究開發(fā)，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國產(chǎn)化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應有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、片材和外延片也應及時布點研制。另外，硅多晶材料生產(chǎn)基地及其相配套的高純石英、氣體和化學試劑等也必需同時給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術的落后局面，進入世界發(fā)達國家之林。超級秘書網(wǎng)

5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶材料發(fā)展建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產(chǎn)能力。相信在國家各部委的統(tǒng)一組織、領導下，并爭取企業(yè)介入，建立我國自己的研究、開發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長，分工協(xié)作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產(chǎn)能力，以滿足我國不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術。到2010年，應當實現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國產(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、零維半導體微結(jié)構材料的建議

（1）超晶格、量子阱材料從目前我國國力和我們已有的基礎出發(fā)，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）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MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內(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100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結(jié)構材料的生產(chǎn)能力。達到本世紀初的國際水平。

寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優(yōu)布點，分別做好研究與開發(fā)工作。

（2）一維和零維半導體材料的發(fā)展設想。基于低維半導體微結(jié)構材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結(jié)構材料生長和納米加工技術的進步，而納米結(jié)構材料的質(zhì)量又很大程度上取決于生長和制備技術的水平。因而，集中人力、物力建設我國自己的納米科學與技術研究發(fā)展中心就成為了成敗的關鍵。具體目標是，“十五”末，在半導體量子線、量子點材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)集成等若干個重要研究方向接近當時的國際先進水平；2010年在有實用化前景的量子點激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發(fā)方面，達到國際先進水平，并在國際該領域占有一席之地。可以預料，它的實施必將極大地增強我國的經(jīng)濟和國防實力。

第8篇：半導體光電技術范文

Leeds, UK.

Quantum Wells, Wires

and Dots

2009, 538pp.

Paperback

ISBN: 9780470770979

John Wiley

Paul Harrison著

半導體納米材料是納米材料的一個重要組成部分,由于能帶工程而實現(xiàn)的半導體超晶格、量子阱、量子線和量子點這類低維結(jié)構具有的獨特物理性質(zhì),使得納米薄膜、納米微粒、納米團簇、納米量子點等所顯示出的新穎的電、磁、光以及力學性質(zhì),令它們與電子學、光電子學以及通信技術、計算機技術的發(fā)展密切相關。納米結(jié)構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。

本書是一本關于“量子阱、量子線及量子點”的綜合教科書,為熟悉固態(tài)物理的人從理論和計算兩個方面講述了如何計算半導體異質(zhì)結(jié)構中電子、光子的性質(zhì)及輸運性質(zhì)。作者采用了類似數(shù)學教科書的方法講述了關于半導體納米材料的各種性質(zhì),由各個示例給出標準解法并附帶詳細的推導過程及計算程序代碼。讀者可以根據(jù)這一系列推導獨立驗證他們自己碰到的新的理論假設并對其作出合理的解釋。就像作者所說的那樣――本書包含“一切”計算半導體異質(zhì)結(jié)構中電子、光子的性質(zhì)及輸運性質(zhì)的知識,讀者不需要其他參考書,可以從零開始學習。

不同于前兩版,本書沒有附帶計算機源代碼光盤,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、光波導及量子阱中的光子性質(zhì)等,大約占全部相關內(nèi)容的20%。

本書作者Paul Harrison目前是英國利茲大學(University of Leeds)電子與電機工程學院微波及光子研究所教授。主要從事于基于量子力學原理開發(fā)新型光電子器件的研究,其研究成果在許多工程領域都有廣泛的應用。

本書適用于半導體及凝聚態(tài)物理專業(yè)的研究生,以及從事半導體納米材料的相關理論和工業(yè)應用研究的從業(yè)人員。

靳紹巍,博士生

(中國科學院力學研究所)

第9篇：半導體光電技術范文

1.引言

近50年來，雪崩光電二極管（APD）在商業(yè)、軍事和科研領域有著廣泛的應用[1]。在通信領域，高速APD因為其更高的靈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探測并投入產(chǎn)業(yè)化，其相關技術已非常成熟。近年來，隨著量子保密通信[2]的興起，APD作為可選的單光子探測器方案，在成熟的產(chǎn)業(yè)制備技術的支持下，其在量子保密通信的研發(fā)也方興未艾。本文從APD在各個方面應用的專利分布對APD的發(fā)展趨勢及現(xiàn)狀進行分析。

2.APD專利發(fā)展趨勢分析

圖1為APD國內(nèi)外專利申請趨勢圖，國外專利在申請量上較國內(nèi)有絕對的優(yōu)勢，該申請趨勢圖中未包含1990年以前申請的專利，但必須提到，在上世紀70年代左右由于激光測距和激光雷達的興起[3]，APD作為其關鍵器件之一，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，該時期的專利申請量也從反映出了該發(fā)展趨勢。緊接著，隨著光通信產(chǎn)業(yè)的興起，APD作為PON技術的接收機解決方案，依托于半導體材料生長技術的不斷進步，對APD外延層結(jié)構的改進逐漸興起，使其滿足高速高靈敏度需求，該階段APD相關專利的申請量出現(xiàn)了穩(wěn)步的提升。技術主題上，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)構從吸收倍增分離，引入漸變層、納米尺度的多層復雜結(jié)構等，隨著研究的不斷深入，APD的發(fā)展進入新的瓶頸期，從而其申請量于近些年出現(xiàn)了滑落。

從國內(nèi)外研究的方向來看，圖2為根據(jù)專利的分類號做出的發(fā)展主題的統(tǒng)計分析圖。根據(jù)該圖，APD的專利發(fā)明點可分為三大類：APD的器件結(jié)構，APD的外部電路、光路，以及將APD在其他領域的應用。其中跟APD的器件結(jié)構相關的分類號有H01L，該分類號涉及半導體器件；Y10S則涉及半導體工藝，如電極制作、表面鈍化處理等；B82Y與外延層納米結(jié)構相關；Y02E則涉及半導體材料，H01S則為將APD作為激光器的背光探測器。H03F涉及將雪崩效應轉(zhuǎn)用至放大器中，H01J則是將半導體雪崩效應與電子管在器件層面上的結(jié)合，實現(xiàn)兩級放大。跟APD外部電路、光路相關的有H04N，其涉及陣列APD生成圖像以及陣列信號的讀取；G01R涉及APD的芯片測試；G01J、G02B和G02F則涉及APD單片集成波導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脈沖技術。跟APD應用相關的有H04B，其涉及通信傳輸領域，以及與其密切相關的H04Q、H04J，其將APD與波分復用器件單片集成；G01T與G01S涉及將APD作為激光雷達的探測器，G01C為APD作為激光測距的探測器；G01N、C12Q、C12M則采用APD進行酶或者微生物的測量，如對材料的拉曼光譜、熒光光譜的探測；A61B涉及APD作為層析X射線掃描的探測器；G01K涉及APD作為光纖溫度傳感器的探測器。

總的來看，APD器件上的創(chuàng)新為其主要的發(fā)明點，而相比于國外申請，國內(nèi)申請更偏向于APD的應用方面，這主要還是因為國內(nèi)在半導體工藝技術方面還明顯的滯后于國外。而在外部電路、光路的設計上，雖然國外有較為深厚的技術積累，但國內(nèi)在部分技術領域上已經(jīng)有所突破。從圖3的國內(nèi)外APD專利申請人分布上來看，國內(nèi)申請前三均為日本公司，隨后為中科院半導體所、中山大學，而已將APD產(chǎn)業(yè)化的武漢通信器件公司在國內(nèi)申請中也占有一席之地。此外，根據(jù)圖4可以看出日本在世界范圍內(nèi)的半導體技術優(yōu)勢。

3.單光子探測器專利申請分析

APD技術的最新熱門應用當屬于單光子探測，在“棱鏡門”曝光之后，保密通信成為進入了公眾視野。目前，研發(fā)中單光子探測器有許多種，包括碳納米管（CNT），超導納米線（SNSPD）[4]，光電倍增管（PMT）[5]等，其中較為熱門且具有產(chǎn)業(yè)應用前景的為，光電倍增管、超導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，在探測效率，時間抖動，暗計數(shù)等方面有顯著地優(yōu)勢。其中，硅基 SPADs因其成熟的研究和良好的工藝制造技術，器件性能優(yōu)于InGaAs/InP SPADs，但僅適于小于1.1um的波長；而InGaAs/InP SPADs能夠在紅外波段探測，在紅外單光子領域特別是通信有著重要的作用。

由圖4可以看出，PMT技術由于其體積大、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技術在2000年至2014年期間處于穩(wěn)定的增長期，隨后由于研究深入技術成熟而開始滑落。而SNSPD技術則于2008年出現(xiàn)，其申請量逐步提升，此外于2016年8月16日發(fā)射的“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星其地面端接收系統(tǒng)則采用了超導納米線技術，該技術作為前沿技術，其優(yōu)勢在于在量子效率上要遠高于APD與PMT，且光譜范圍寬、低噪聲，而其劣勢暗計數(shù)方面也在不斷改進。但是SNSPD對制冷設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技術在民用保密通信的產(chǎn)業(yè)化上仍具有巨大優(yōu)勢和潛力。

4.總結(jié)

雪崩光電二極管技術歷經(jīng)半個多世紀的積累，其器件的研發(fā)、應用和成本的控制也日趨成熟，其專利的申請趨勢隨著相關技術的革新出現(xiàn)了數(shù)次峰值，然而其作為通信用單光子探測器，其產(chǎn)業(yè)化的路上還有很多技術問題亟待解決，可以預見的是，在不久的將來雪崩光電二極管將會因其低成本的特點出現(xiàn)在民用保密通信產(chǎn)品中。

參考文獻

[1] Campbell J C. Recent Advances in Telecommunications Avalanche Photodiodes[J]. Journal of Lightwave Technology， 2007， 25（1）：109-121.

[2] Lam P K， Ralph T C. Quantum cryptography： Continuous improvement [J]. Natuer Photon， 2013， 7（5）： 350-352

[3] Bender P L， Currie D G， Poultney S K， et al. The Lunar Laser Ranging Experiment： Accurate ranges have given a large improvement in the lunar orbit and new selenophysical information [J]. Science （New York， NY）， 1973， 182（4109）： 229-238.