信息材料第一講.ppt

信息功能材料及應(yīng)用基礎(chǔ) 課程內(nèi)容安排 第一講 信息技術(shù)與信息材料的發(fā)展第二講 半導(dǎo)體材料概論第三講 硅基半導(dǎo)體材料的制備第四講 新型半導(dǎo)體材料的制備第五講 研討課 半導(dǎo)體材料制備技術(shù)的發(fā)展第六講 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶結(jié)構(gòu)第七講 載流子的統(tǒng)計分布第八講 載流子散射與輸運現(xiàn)象 第九講 半導(dǎo)體中的非平衡載流子第十講 課程研討 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第十一講 PN結(jié)理論第十二講 金屬 半導(dǎo)體結(jié)理論 第十三講 半導(dǎo)體材料的應(yīng)用第十四講 課程研討 半導(dǎo)體器件理論與應(yīng)用第十五講 習(xí)題第十六講 考試 課程內(nèi)容安排 Developmentofinformationmaterialsandtechnology信息材料和信息技術(shù)的發(fā)展 第一講 信息既非物質(zhì)又非能量 是組成世界的要素 信息是資源 是發(fā)展經(jīng)濟的基礎(chǔ) 是各國爭奪的對象 信息產(chǎn)業(yè)是國家的支柱產(chǎn)業(yè) 信息技術(shù)是是快速發(fā)展的高技術(shù) 是國家核心競爭力的最重要標志 信息 信息技術(shù) 信息產(chǎn)業(yè) 信息技術(shù)的發(fā)展 信息技術(shù) 信息獲取 信息傳輸 信息存儲 信息顯示 信息處理 信息技術(shù)的構(gòu)成 信息技術(shù)的發(fā)展 信息技術(shù)的發(fā)展趨勢 信息技術(shù)的幾個主要方面在20世紀下半葉取得了巨大的進步從1946年世界第一臺電子計算機誕生以來 計算機技術(shù)獲得了驚人的發(fā)展 成為人類社會巨大的生產(chǎn)力計算機技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的誕生與發(fā)展深刻改變了人類的生產(chǎn)和生活方式 人類社會進入信息時代20世紀以來 信息技術(shù)是依靠電子學(xué)和微電子學(xué)技術(shù)發(fā)展的為提高傳輸速度和載波密度 信息的載體必然由電子發(fā)展到光子 信息技術(shù)的發(fā)展 Frommicroelectronicstophotonics electronics optoelectronics photonics 20century 21century 信息技術(shù)的發(fā)展 上世紀70年代初石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明 促進了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè) 使人類進入了信息時代 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)計思想 使半導(dǎo)體器件的設(shè)計與制造從 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?信息時代的到來 LeadingTechnologiesforthe21stCentury Storage Display FiberOptics Imaging Lasers Sensors Interconnects HybridIntegration Sensors Illumination Optoelectronics 信息技術(shù)的發(fā)展 光信息技術(shù)發(fā)展 里程碑 1958年 基爾比首創(chuàng)集成電路芯片1962年 半導(dǎo)體激光器問世1963年 克羅默 阿爾費羅夫提出異質(zhì)結(jié)構(gòu)1966年 高琨關(guān)于光纖損耗的預(yù)言 2009年諾貝爾獎1970年 阿爾費羅夫 哈雅希等實現(xiàn)激光二極管室溫連續(xù)運轉(zhuǎn) 1970年 美國Corning公司實現(xiàn)光纖損耗 20dB km 1970年 江琦提出量子阱概念1971年 Kogelniketal 提出DFB激光器概念1975年 DFB DBR激光器問世1975年 量子阱激光器問世1978年 亞里夫研制成功單片集成光發(fā)射機芯片1987年 摻鉺光纖放大器 2000年度諾貝爾物理學(xué)獎 信息技術(shù)的發(fā)展 2007年全球整個半導(dǎo)體市場僅增長3 達到2556億美元 亞洲地區(qū)的增長速率高于全球平均水平 其中中國的增長為21 居全球第一 在技術(shù)方面 存在較大差異 從較早的4英寸晶圓技術(shù)到尖端的45nm工藝技術(shù) 在中國都能找到足跡 中國半導(dǎo)體材料市場發(fā)展迅速 預(yù)計到2010年 半導(dǎo)體材料的銷售額將達到530億美元 與晶圓制造材料類似 封裝材料預(yù)計在2010年將增長6 2010年將達206億美元 世界半導(dǎo)體行業(yè)巨頭紛紛到國內(nèi)投資 整個半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展 全球半導(dǎo)體材料市場 2003年中國電子信息產(chǎn)業(yè)銷售收入1 88萬億元 折合2200 2300億美元 產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超過日本位居世界第二 同期日本信息產(chǎn)業(yè)銷售收入只有1900億美元 成為中國第一大支柱產(chǎn)業(yè) 中國電子信息產(chǎn)業(yè)的規(guī)模 中國從上世紀60年代初開始研制砷化鎵 主要研發(fā)單位有中科稼英半導(dǎo)體有限公司 北京圣科佳電子有限公司 中科鎵英公司成功拉制出中國第一根6 4公斤5英寸LEC法大直徑砷化鎵單晶 信息產(chǎn)業(yè)部46所生長出中國第一根6英寸砷化鎵單晶 單晶重12kg 并已連續(xù)生長出6根6英寸砷化鎵單晶 中國GaAs材料單晶以2 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 中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 中國的砷化鎵產(chǎn)業(yè) 一維量子線 零維量子點半導(dǎo)體材料 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 通過能帶工程實施 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(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l m左右 單管室溫連續(xù)輸出功率高達3 6 4W 國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃確定要實施16個重大科技專項 其中有三個專項與信息技術(shù)相關(guān) 第一 極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝 第二 核心電子器件 高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品 第三 新一代寬帶無線移動通信網(wǎng) 中國信息科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略 極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝 十一五 期間重點實施的內(nèi)容和目標分別是 重點實現(xiàn)90納米制造裝備產(chǎn)品化 若干關(guān)鍵技術(shù)和元部件國產(chǎn)化 研究開發(fā)出65納米制造裝備樣機 突破45納米以下若干關(guān)鍵技術(shù) 攻克若干項極大規(guī)模集成電路制造核心技術(shù) 共性技術(shù) 初步建立我國集成電路制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系 十一五 期間重點實施的內(nèi)容和目標分別是 重點研究開發(fā)微波毫米波器件 高端通用芯片 操作系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和中間件為核心的基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品 提高計算機和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 國家安全等領(lǐng)域整機系統(tǒng)產(chǎn)品和基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品的自主知識產(chǎn)權(quán)擁有量和自主品牌的市場占有率 核心電子器件 高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品 新一代寬帶無線移動通信網(wǎng) 十一五 期間重點實施的內(nèi)容和目標分別是 研制具有海量通信能力的新一代寬帶蜂窩移動通信系統(tǒng) 低成本廣泛覆蓋的寬帶無線通信接入系統(tǒng) 近短距離無線互聯(lián)系統(tǒng)與傳感器網(wǎng)絡(luò) 掌握關(guān)鍵技術(shù) 顯著提高我國在國際主流技術(shù)標準所涉及的知識產(chǎn)權(quán)占有比例 加大科技成果的商業(yè)應(yīng)用 形成超過1000億元的產(chǎn)值 1 信息獲取技術(shù)與材料 探測器材料 狹能隙材料 紅外 使用鉛鹽 碲鎘汞和SbIn等材料 獲取信息主要使用探測器和傳感器 目前光電子技術(shù)是獲取信息的主要手段 寬能隙材料 可見和近紫外 采用Si Ge和GaN AlN等材料 應(yīng)用案例 材料斷裂等結(jié)構(gòu)監(jiān)測 物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性 將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號 物性型光纖傳感器 傳感器材料 半導(dǎo)體傳感器材料在外場 光 熱 電 磁等 作用下半導(dǎo)體的電性能發(fā)生變化 由此獲得外場的信息 光纖傳感器材料光在光纖中傳播時 受外場的作用能引起振幅 相位 頻率和偏振態(tài)的變化 光纖可積累外場引起的光的變化 用于壓力 磁場 溫度 電壓傳感器 信息獲取技術(shù)與材料 傳感器材料 半導(dǎo)體傳感器材料 光纖傳感器材料 壓阻材料Si Ge InSb等 熱敏感材料NTC PTC等 壓電材料BaTiO3等 旋光材料 保偏光纖 橢圓雙折射光纖 摻雜和涂層光纖 信息獲取技術(shù)與材料 聲發(fā)射檢測傳感器 材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂 以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱無聲發(fā)射 各種材料聲發(fā)射的頻率范圍很寬 從次聲頻 聲頻到超聲頻 但多數(shù)金屬 如鋼 鐵等 的聲發(fā)射頻帶 均在超聲范圍內(nèi) 聲發(fā)射分 1 連續(xù)發(fā)射 2 突發(fā)發(fā)射 由于結(jié)構(gòu)和傳感器的諧振 檢測到的發(fā)射信號像衰減的正弦波 檢測到的兩類信號如圖所示 2 信息處理技術(shù)與材料 以大規(guī)模繼承電路為基礎(chǔ)的電子計算機技術(shù)是信息處理的主要技術(shù) 硅材料為核心的集成電路占90 以上 自1958年問世以來 其集成度提高100萬倍 單位價格下降為100萬分之一 目前大規(guī)模硅集成電路以MOS MetalOnSilicon 為主流技術(shù) 1998年出現(xiàn)的絕緣層上硅材料SOI SiliconOnInsulator 推動了微電子技術(shù)的進一步發(fā)展 此材料有效避免了器件與襯底間的寄生效應(yīng) 具有高速 高密度 抗輻射 無閉鎖效應(yīng)等有點 相比MOS技術(shù) 可以使芯片的性能提高35 微電子技術(shù)五十年前后對比 以Si為核心的半導(dǎo)體動態(tài)隨機存儲器發(fā)展 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 磷化錮 磷化鎵 砷化錮 砷化鋁及其合金等稱為第二代半導(dǎo)體材料 而將寬禁帶 Eg 2 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 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 三代半導(dǎo)體材料 1 增大晶體直徑 目前4英寸的SI GaAs已用于生產(chǎn) 預(yù)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(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 4 GaAs和InP單晶的VGF生長技術(shù)發(fā)展很快 很有可能成為主流技術(shù) 第二代半導(dǎo)體材料發(fā)展趨勢 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(dǎo)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(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破 價格居高不下 第二代半導(dǎo)體單晶制備 日本是最大的生產(chǎn)國和輸出國 占世界市場的70 80 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(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AXT公司是世界最大的VGFGaAs材料生產(chǎn)商 世界GaAs單晶主要生產(chǎn)商情況見表6 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 砷化鎵國際市場 GaAIAs GaAs GaInAs GaAs AIGaInP GaAs GalnAs InP AlInAs InP InGaAsP InP等GaAs InP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 V族超晶格 量子阱材料 以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大 擊穿電場高 熱導(dǎo)率大 電子飽和漂移速度高 介電常數(shù)小 抗輻射能力強 良好的化學(xué)穩(wěn)定性等獨特的特性 它在光顯示 光存儲 光探測等光電子器件和高溫 高頻大功率電子等微電子器件領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景 成為半導(dǎo)體領(lǐng)域研究熱點 第三代半導(dǎo)體材料 SiC寬禁帶半導(dǎo)體材料 使用硅器件的傳統(tǒng)集成電路大都只能工作在250 以下 不能滿足高溫 高功率及高頻等要求 SiC具有獨特的物理性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì) 是實現(xiàn)高溫與高功率 高頻 抗輻射相結(jié)合器件的理想材料 SiC器件工藝 如氧化 摻雜 刻蝕及金屬 半導(dǎo)體接觸 都日臻成熟 這些為SiC器件的研制及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ) 光信息處理和計算已經(jīng)提出 它可以發(fā)揮并列處理的優(yōu)點 能高速處理信號 以全光計算機為目標 用光學(xué)系統(tǒng)為完成一維或多維數(shù)據(jù)的數(shù)字計算還處于探索階段 研制開發(fā)高效低功耗的光子器件及相應(yīng)材料是其關(guān)鍵 目前 研制的高密度對稱反射式自由電效應(yīng) SR SEED 無腔面光雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)集成面陣 其光功耗極低 小于10fJ m2 開關(guān)時間為納秒 每秒可以進行上億次光學(xué)數(shù)學(xué)處理 光互連集成回路的應(yīng)用可以有效解決電子計算機電信號受RC馳豫時間的限制 同時解決了電子信號自身干擾問題 進展 立足于 族半導(dǎo)體化合物 利用材料的量尺寸效應(yīng) 做成量子阱 量子線 量子點 開拓硅基材料 如SiGe Si量子化材料 信息處理技術(shù)與材料 光信息處理技術(shù)的發(fā)展 3 信息存儲技術(shù)與材料 數(shù)字信息存儲的要求 高存儲密度 高速據(jù)傳輸率 高存儲壽命 高的擦寫次數(shù)及低價格 計算機系統(tǒng)中的各種方式的存儲器 內(nèi)存儲器要求集成度高 存取速度快 以半導(dǎo)體動態(tài)隨機存儲器為主 外存儲器中 磁存儲技術(shù)發(fā)展迅速 形成了巨大的產(chǎn)業(yè) 磁存儲介質(zhì)的主要形式是磁帶 軟磁盤 硬磁盤 存儲密度每5年增加10倍 磁存儲技術(shù)及材料 磁帶機的容量及數(shù)據(jù)率發(fā)展 硬磁盤技術(shù)的進展 信息存儲技術(shù)與材料 70年代 將磁性氧化物 氧化鐵 涂布在塑料薄膜或金屬薄片上制成磁帶或磁盤 存儲密度為幾b in2級別 80年代 采用超細磁性氧化物粉末以及薄膜氧化物磁頭 存儲密度到幾百千b in2 90年代后 采用連續(xù)磁性薄膜介質(zhì)的硬磁盤存儲 如CoCrPt CoCrTa等 存儲密度到105b in2 更高存儲密度 大于1Gb in2 的硬磁盤則采用了高矯頑磁力 大于240KA m 的連續(xù)縱向納米晶粒磁性介質(zhì) 而實現(xiàn)磁垂直存儲 則要采用各向異性 KU 0 4J cm3 的磁性介質(zhì) 必然CoSm和Fe Pt多層膜 信息存儲技術(shù)與材料 磁介質(zhì)材料的發(fā)展 光存儲技術(shù)及材料 信息存儲技術(shù)與材料 光存儲技術(shù)最早用于微縮照相 上世紀60年代出現(xiàn)激光全息技術(shù) 70年代 開發(fā)光盤存儲技術(shù) 包括CD和LD 光盤存儲材料 1 磁光存儲介質(zhì) 金屬多層膜 Pt Co膜 摻雜的MnBiAl薄膜 稀土摻雜的釔鐵榴石薄膜 2 相變存儲介質(zhì) Ge Te Sb In Sb Ag Te等 3 有機存儲介質(zhì) 酞箐化合物 箐化合物 螺環(huán)化合物等 其工作波長短 但存在光 熱穩(wěn)定性差的特點 隨著光子學(xué)技術(shù)發(fā)展 目前的光熱記錄方式將向光子記錄方式轉(zhuǎn)變 光存儲與磁存儲比較 DRAW HD OD的今后發(fā)展和相互關(guān)系 信息存儲技術(shù)與材料 4 信息顯示技術(shù)與材料 信息顯示技術(shù)是將各種形式的信息作用于人的視覺使人感知的的手段 靜止信息顯示手段 打印機 復(fù)印機 傳真機 掃描機等 使無機硒合金和有機酞箐染料作為感光鼓材料 活動圖像顯示手段 陰極射線管 CRT 發(fā)光材料 紅 Y2O2S Eu 藍 ZnS Ag 綠 ZnS Cu Al 平板顯示技術(shù)液晶顯示技術(shù) LCD 場致放射顯示技術(shù) FED 等離子體顯示技術(shù) PDP 和發(fā)光二級管顯示技術(shù) LED CRT FED PDP和LCD四種顯示器的性能比較 信息顯示技術(shù)與材料 PDP易做成大屏幕顯示器 但驅(qū)動電壓高 功耗大 LCD功耗低 工作電壓低 體積小 易攜帶 主要用于小屏幕 FED視角寬 功耗低 響應(yīng)速度快 光效率和具有CRT和LCD的優(yōu)點 但面積較難擴大 CRT是活動圖像的主要顯示手段 還需提高顏色純度 有機發(fā)光二極管材料的化學(xué)分子式和器件結(jié)構(gòu) a 器件結(jié)構(gòu) b Alq分子結(jié)構(gòu) c 雙胺分子結(jié)構(gòu) d PPV分子結(jié)構(gòu) 信息顯示技術(shù)與材料 OLED是有前途的顯示器材料 但發(fā)光亮度 量子效率 穩(wěn)定性和耐用性以及尋找藍色與紅色材料方面仍需努力 GaN 禁帶寬度僅為3 4eV 材料可以用于高密度光存儲的短波激光光源 信息顯示材料 III族氮化物在藍 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 此外 256 256GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功 2000年日本Sumitomo電子工業(yè)有限公司宣稱研制成功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 信息顯示材料 GaAIAs GaAs GaInAs GaAs AIGaInP GaAs GalnAs InP AlInAs InP InGaAsP InP等GaAs InP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 基于上述材料體系的光通信用1 3 m和1 5 m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(dǎo)體量子阱激光器已商品化 信息顯示材料 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 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(gòu) 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(guān)納米硅的受激放大現(xiàn)象的報道 使人們看到了一線希望 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(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 硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料 GaN在寬禁帶半導(dǎo)體中也占有主導(dǎo)地位 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)藍光的特性一開始就吸引了半導(dǎo)體開發(fā)人員的極大興趣 但GaN的生長技術(shù)和器件制造工藝直到近幾年才取得了商業(yè)應(yīng)用的實質(zhì)進步和突破 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代的來臨 信息顯示材料 1993年日本的日亞化學(xué)公司研制出第一支藍光發(fā)光管 1995年該公司首先將GaN藍光LED商品化 到1997年某市場份額已達1 43億美元 據(jù)StrategiesUnlimited的預(yù)測 GaN器件年增長率將高達44 到2006年其市場份額將達30億美元 目前 日亞化學(xué)公司生產(chǎn)藍光LED 峰值波長450nm 輸出光為3mw 發(fā)光亮度2cd Ip 20mA GaN綠光LED 峰值波長525nm 輸出光功率為2mw 發(fā)光亮度6cd Ip 20mA 此外 日亞化學(xué)公司利用其GaN藍光LED和磷光技術(shù) 又開發(fā)出白光固體發(fā)光器件產(chǎn)品 不久將來可替代電燈 既提高燈的壽命 又大大地節(jié)省能源 因此 GaN越來越受到人們的歡迎 GaN藍光激光器也被日亞公司首先開發(fā)成功 目前壽命已超過10000hr 與此同時 GaN的電子器件發(fā)展也十分迅速 目前GaNFET性能已達到ft 52GHz fmax 82GHz 在18GHz頻率下 CW輸出功率密度大于3W mm 這是至今報導(dǎo)K波段微波GaNFET的最高值 美國的APA光學(xué)公司1993年研制出世界上第一個氮化鎵基HEMT器件 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 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 國外正朝著更大功率 更高工作溫度 更高頻率和實用化方向發(fā)展 日本 美國等國家紛紛進行應(yīng)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 該公司預(yù)測2009年世界GaN器件市場將達到48億美元的銷售額 美國Cree公司由于其研究領(lǐng)先 主宰著整個碳化硅的市場 幾乎85 以上的碳化硅襯底由Cree公司提供 90 以上的生產(chǎn)在美國 亞洲只占4 歐洲占2 碳化硅襯底材料的市場正在快速上升階段 估計到2007年 碳化硅襯底材料的生產(chǎn)將達到60萬片 其中90 95 被用于氮化鎵基光電子器件作外延襯底 目前在6H SiC襯底上氮化鎵微電子材料室溫遷移率達到2000cm2 V S 電子濃度達到1013cm 2 生長在碳化硅襯底上的氮化鎵基HEMT的功率密度達到了10 3W mm 柵長0 6mm 柵寬300mm 生長在碳化硅襯底上的AlGaN GaNHEMT器件 柵長為0 12mm 的特征頻率ft 101GHz 最高振蕩頻率fmax 155GHz 與藍寶石襯底材料相比 碳化硅襯底材料具有高的熱導(dǎo)率 晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)與氮化鎵材料更為接近 僅為3 5 藍寶石與氮化鎵材料的晶格失配度為17 是一種更理想的襯底材料 目前在碳化硅襯底上氮化鎵微電子材料及器件的研究是國際上的熱點 也是軍用氮化鎵基HEMT結(jié)構(gòu)材料和器件的首選襯底 但碳化硅襯底上材料十分昂貴 中國國內(nèi)研究狀況 表世界GaAs單晶主要生產(chǎn)廠家 注 主要產(chǎn)品 大生產(chǎn) 生產(chǎn) 大量 小規(guī)模 D開發(fā)中 光功能材料主要采用無機非線性光學(xué)晶體 如KTP BBO LBO LiNbO3等 光功能元件和材料性質(zhì) 激光技術(shù)與光電功能材料 碲酸鹽和硫化物玻璃的聲光品質(zhì)因素及性質(zhì) 若干磁光玻璃的Verdet常數(shù) 室溫 激光技術(shù)與光電功能材料 信息傳遞技術(shù)與材料 20世紀70年代低損耗的熔石英光纖和長壽命半導(dǎo)體激光器研制成功 使光通信成為可能 1978年 第一代光纜 長10KM 傳輸率 100Mb S 1981年 第二代光纜 采用單模光纖 傳送容量增加10倍 第三代光纖應(yīng)用熔石英光纖的最低損耗波長 1 55 m 配上該波長的半導(dǎo)體激光器 其傳輸距離和容量又提高了幾倍 20世紀80年代以來 信息傳遞技術(shù)發(fā)展迅速 數(shù)字電信量以每年35 增長 采用光子作為信息載體 代替電纜和微波通信是20世紀通信技術(shù)的重大進步 20世紀末人們發(fā)明了光學(xué)放大器 特別是摻鉺光纖放大器 將光信號直接放大 放大率達30dB以上 且不受偏振方向的影響 有很高的保真度 20世紀80年代以來 信息傳遞技術(shù)發(fā)展迅速 數(shù)字電信量以每年35 增長 采用光子作為信息載體 代替電纜和微波通信是20世紀通信技術(shù)的重大進步 20世紀末人們發(fā)明了光學(xué)放大器 特別是摻鉺光纖放大器 將光信號直接放大 放大率達30dB以上 且不受偏振方向的影響 有很高的保真度 波分復(fù)用技術(shù) WDM 的應(yīng)用 可以使同一路光纖傳輸若干不同波長的光信號 這種技術(shù)的特點是用光纖寬帶耦合器將n種波長的激光信號耦合入一條公用傳輸光纖 在信號終端用光纖光柵濾光器分理出n個波長的載波激光 再用檢波器將信號分離出來 使信息傳輸率增加了n倍 信息傳遞技術(shù)與材料 波分復(fù)用 WDM 光纖通信示意圖 信息傳遞技術(shù)與材料 在光纖通信系統(tǒng)中通過波分復(fù)用技術(shù)可以增加光信號傳輸?shù)娜萘?要達到大數(shù)量地