時(shí)間：2023-05-29 17:39:43
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇光電子器件，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
論文摘要：納米光電子技術(shù)是一門新興的技術(shù)，近年來越來越受到世界各國(guó)的重視，而隨著該技術(shù)產(chǎn)生的納米光電子器件更是成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。主要介紹了納米光電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀。
1納米導(dǎo)線激光器
2001年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員在只及人的頭發(fā)絲千分之一的納米光導(dǎo)線上制造出世界最小的激光器-納米激光器。這種激光器不僅能發(fā)射紫外激光，經(jīng)過調(diào)整后還能發(fā)射從藍(lán)色到深紫外的激光。研究人員使用一種稱為取向附生的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，用純氧化鋅晶體制造了這種激光器。他們先是"培養(yǎng)"納米導(dǎo)線，即在金層上形成直徑為20nm～150nm，長(zhǎng)度為10000nm的純氧化鋅導(dǎo)線。然后，當(dāng)研究人員在溫室下用另一種激光將納米導(dǎo)線中的純氧化鋅晶體激活時(shí)，純氧化鋅晶體會(huì)發(fā)射波長(zhǎng)只有17nm的激光。這種納米激光器最終有可能被用于鑒別化學(xué)物質(zhì)，提高計(jì)算機(jī)磁盤和光子計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)量。
2紫外納米激光器
繼微型激光器、微碟激光器、微環(huán)激光器、量子雪崩激光器問世后，美國(guó)加利福尼亞伯克利大學(xué)的化學(xué)家楊佩東及其同事制成了室溫納米激光器。這種氧化鋅納米激光器在光激勵(lì)下能發(fā)射線寬小于0.3nm、波長(zhǎng)為385nm的激光，被認(rèn)為是世界上最小的激光器，也是采用納米技術(shù)制造的首批實(shí)際器件之一。在開發(fā)的初始階段，研究人員就預(yù)言這種ZnO納米激光器容易制作、亮度高、體積小，性能等同甚至優(yōu)于GaN藍(lán)光激光器。由于能制作高密度納米線陣列，所以，ZnO納米激光器可以進(jìn)入許多今天的GaAs器件不可能涉及的應(yīng)用領(lǐng)域。為了生長(zhǎng)這種激光器，ZnO納米線要用催化外延晶體生長(zhǎng)的氣相輸運(yùn)法合成。首先，在藍(lán)寶石襯底上涂敷一層1nm~3.5nm厚的金膜，然后把它放到一個(gè)氧化鋁舟上，將材料和襯底在氨氣流中加熱到880℃~905℃，產(chǎn)生Zn蒸汽，再將Zn蒸汽輸運(yùn)到襯底上，在2min~10min的生長(zhǎng)過程內(nèi)生成截面積為六邊形的2μm~10μm的納米線。研究人員發(fā)現(xiàn)，ZnO納米線形成天然的激光腔，其直徑為20nm~150nm，其大部分（95％）直徑在70nm~100nm。為了研究納米線的受激發(fā)射，研究人員用Nd:YAG激光器（266nm波長(zhǎng)，3ns脈寬）的四次諧波輸出在溫室下對(duì)樣品進(jìn)行光泵浦。在發(fā)射光譜演變期間，光隨泵浦功率的增大而激射，當(dāng)激射超過ZnO納米線的閾值（約為40kW／cm）時(shí)，發(fā)射光譜中會(huì)出現(xiàn)最高點(diǎn)，這些最高點(diǎn)的線寬小于0.3nm，比閾值以下自發(fā)射頂點(diǎn)的線寬小1/50以上。這些窄的線寬及發(fā)射強(qiáng)度的迅速提高使研究人員得出結(jié)論：受激發(fā)射的確發(fā)生在這些納米線中。因此，這種納米線陣列可以作為天然的諧振腔，進(jìn)而成為理想的微型激光光源。研究人員相信，這種短波長(zhǎng)納米激光器可應(yīng)用在光計(jì)算、信息存儲(chǔ)和納米分析儀等領(lǐng)域中。
3量子阱激光器
2010年前后，蝕刻在半導(dǎo)體片上的線路寬度將達(dá)到100nm以下，在電路中移動(dòng)的將只有少數(shù)幾個(gè)電子，一個(gè)電子的增加和減少都會(huì)給電路的運(yùn)行造成很大影響。為了解決這一問題，量子阱激光器就誕生了。在量子力學(xué)中，把能夠?qū)﹄娮拥倪\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生約束并使其量子化的勢(shì)場(chǎng)稱之成為量子阱。而利用這種量子約束在半導(dǎo)體激光器的有源層中形成量子能級(jí)，使能級(jí)之間的電子躍遷支配激光器的受激輻射，這就是量子阱激光器。目前，量子阱激光器有兩種類型：量子線激光器和量子點(diǎn)激光器。
3.1量子線激光器
近日，科學(xué)家研制出功率比傳統(tǒng)激光器大1000倍的量子線激光器，從而向創(chuàng)造速度更快的計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備邁進(jìn)了一大步。這種激光器可以提高音頻、視頻、因特網(wǎng)及其他采用光纖網(wǎng)絡(luò)的通信方式的速度，它是由來自耶魯大學(xué)、位于新澤西洲的朗訊科技公司貝爾實(shí)驗(yàn)室及德國(guó)德累斯頓馬克斯·普朗克物理研究所的科學(xué)家們共同研制的。這些較高功率的激光器會(huì)減少對(duì)昂貴的中繼器的要求，因?yàn)檫@些中繼器在通信線路中每隔80km（50mile）安裝一個(gè)，再次產(chǎn)生激光脈沖，脈沖在光纖中傳播時(shí)強(qiáng)度會(huì)減弱（中繼器）。
3.2量子點(diǎn)激光器
由直徑小于20nm的一堆物質(zhì)構(gòu)成或者相當(dāng)于60個(gè)硅原子排成一串的長(zhǎng)度的量子點(diǎn)，可以控制非常小的電子群的運(yùn)動(dòng)而不與量子效應(yīng)沖突?？茖W(xué)家們希望用量子點(diǎn)代替量子線獲得更大的收獲，但是，研究人員已制成的量子點(diǎn)激光器卻不盡人意。原因是多方面的，包括制造一些大小幾乎完全相同的電子群有困難。大多數(shù)量子裝置要在極低的溫度條件下工作，甚至微小的熱量也會(huì)使電子變得難以控制，并且陷入量子效應(yīng)的困境。但是，通過改變材料使量子點(diǎn)能夠更牢地約束電子，日本電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的松本和斯坦福大學(xué)的詹姆斯和哈里斯等少數(shù)幾位工程師最近已制成可在室溫下工作的單電子晶體管。但很多問題仍有待解決，開關(guān)速度不高，偶然的電能容易使單個(gè)電子脫離預(yù)定的路線。因此，大多數(shù)科學(xué)家正在努力研制全新的方法，而不是仿照目前的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)量子裝置。
4微腔激光器
微腔激光器是當(dāng)代半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，它采用了現(xiàn)代超精細(xì)加工技術(shù)和超薄材料加工技術(shù)，具有高集成度、低噪聲的特點(diǎn)，其功耗低的特點(diǎn)尤為顯著，100萬個(gè)激光器同時(shí)工作，功耗只有5W。該激光器主要的類型就是微碟激光器，即一種形如碟型的微腔激光器，最早由貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)成功。其內(nèi)部為采用先進(jìn)的蝕刻工藝蝕刻出的直徑只有幾微米、厚度只有100nm的極薄的微型園碟，園碟的周圍是空氣，下面靠一個(gè)微小的底座支撐。由于半導(dǎo)體和空氣的折射率相差很大，微碟內(nèi)產(chǎn)生的光在此結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)射，直到所產(chǎn)生的光波積累足夠多的能量后沿著它的邊緣折射，這種激光器的工作效率很高、能量閾值很低，工作時(shí)只需大約100μA的電流。
長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院北京半導(dǎo)體研究所從經(jīng)典量子電動(dòng)力學(xué)理論出發(fā)研究了微碟激光器的工作原理，采用光刻、反應(yīng)離子刻蝕和選擇化學(xué)腐蝕等微細(xì)加工技術(shù)制備出直徑為9.5μm、低溫光抽運(yùn)InGaAs／InGaAsP多量子阱碟狀微腔激光器。它在光通訊、光互聯(lián)和光信息處理等方面有著很好的應(yīng)用前景，可用作信息高速公路中最理想的光源。
微腔光子技術(shù)，如微腔探測(cè)器、微腔諧振器、微腔光晶體管、微腔放大器及其集成技術(shù)研究的突破，可使超大規(guī)模集成光子回路成為現(xiàn)實(shí)。因此，包括美國(guó)在內(nèi)的一些發(fā)達(dá)國(guó)家都在微腔激光器的研究方面投人大量的人力和物力。長(zhǎng)春光機(jī)與物理所的科技人員打破常規(guī)，用光刻方法實(shí)現(xiàn)了碟型微腔激光器件的圖形轉(zhuǎn)移，用濕法及干法刻蝕技術(shù)制作出碟型微腔結(jié)構(gòu)，在國(guó)內(nèi)首次研制出直徑分別為8μm、4.5μm和2μm的光泵浦InGaAs／InGaAsP微碟激光器。其中，2μm直徑的微碟激光器在77K溫度下的激射闊值功率為5μW，是目前國(guó)際上報(bào)道中的最好水平。此外，他們還在國(guó)內(nèi)首次研制出激射波長(zhǎng)為1.55μm，激射閾值電流為2.3mA，在77K下激射直徑為10μm的電泵浦InGaAs／InGaAsP微碟激光器以及國(guó)際上首個(gè)帶有引出電極結(jié)構(gòu)的電泵浦微柱激光器。值得一提的是，這種微碟激光器具有高集成度、低閾值、低功耗、低噪聲、極高的響應(yīng)、可動(dòng)態(tài)模式工作等優(yōu)點(diǎn)，在光通信、光互連、光信息處理等方面的應(yīng)用前景廣闊，可用于大規(guī)模光子器件集成光路，并可與光纖通信網(wǎng)絡(luò)和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路匹配，組成光電子信息集成網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)代信息高速公路技術(shù)中最理想的光源；同時(shí)，可以和其他光電子元件實(shí)現(xiàn)單元集成，用于邏輯運(yùn)算、光網(wǎng)絡(luò)中的光互連等。
摘 要：以納米壓印光柵制作為基礎(chǔ)，研究了適應(yīng)納米壓印工藝的對(duì)接生長(zhǎng)材料結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)工藝，生長(zhǎng)的材料均勻性好，適合后續(xù)器件工藝制作。通過理論設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)化了淺刻蝕有源波導(dǎo)及深刻蝕無源波導(dǎo)的變換結(jié)構(gòu)，降低了器件的轉(zhuǎn)換損耗及回波損耗。結(jié)合后續(xù)制作的器件，對(duì)接界面插入損耗可以小于1.5 dB。 完成了多種多波長(zhǎng)陣列DFB激光器及高性能DFB激光器的制作，包括16通道200 GHz，300 GHz間隔1550 nm波段陣列激光器，4通道20 nm間隔1310 nm波段陣列激光器，雙八分之一相移激光器，非對(duì)稱三相移激光器，變節(jié)距啁啾調(diào)制激光器等，廣泛的驗(yàn)證了壓印工藝的可靠性及適應(yīng)性。研究了陣列器件的熱調(diào)諧特性及熱串?dāng)_特性，取得了器件熱特性數(shù)據(jù)。為下一步編寫陣列器件波長(zhǎng)控制程序取得了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。依據(jù)2012年度InP基AWG測(cè)試結(jié)果，對(duì)AWG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正并重新設(shè)計(jì)。修正設(shè)計(jì)后制作的通道波長(zhǎng)間隔為1.56 nm，通道中心波長(zhǎng)1549.7 nm，串?dāng)_小于1.5dB。完成了四通道陣列激光器與多模干涉結(jié)構(gòu)合波器（MMI）的單片集成芯片的設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試， 針對(duì)集成芯片完成了器件的封裝設(shè)計(jì)。由于集成芯片管腳非常多，直流偏置，微波信號(hào)，熱調(diào)諧信號(hào)互相之間存在耦合，串?dāng)_，布線交叉等。為此采用了多層過渡板結(jié)構(gòu)，有效的將各個(gè)管腳分開，降低電學(xué)串?dāng)_。搭建芯片測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)。完成了多波長(zhǎng)半導(dǎo)體微環(huán)激光器的的制備與測(cè)試，采用InP基多量子阱激光器外延材料結(jié)構(gòu)，利用感應(yīng)耦合等離子體（ICP）干法刻蝕技術(shù)和SiO2鈍化工藝，研制了基于環(huán)形諧振腔的雙波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器樣品，實(shí)現(xiàn)了激光光源的單片集成。改變激光器的注入電流，可調(diào)節(jié)峰值波長(zhǎng)與波長(zhǎng)間隔。對(duì)InP基長(zhǎng)波長(zhǎng)10 Gb/s 單片集成OEIC光接收機(jī)進(jìn)行了電路建模、共基極和共發(fā)射極OEIC集成電路設(shè)計(jì)、制備與測(cè)試，跨組放大器達(dá)到10 Gb/s傳輸速率，PIN探測(cè)器帶寬實(shí)現(xiàn)7.8 GHz，OEIC器件傳輸速率達(dá)到4 Gb/s，眼圖清晰。探索了Si基準(zhǔn)單片光發(fā)射OEIC方案的可行性。該方案是在Si片襯底上濕法腐蝕出溝槽，并在溝槽里濺射金屬層，將FP激光器芯片貼裝在溝槽里，通過金屬層將電極引出，與Si CMOS 激光驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)單片集成。
關(guān)鍵詞：光子集成芯片 多波長(zhǎng)微環(huán)激器 多波長(zhǎng)陣列激光器 InP基長(zhǎng)波長(zhǎng)10 Gb/s單片集成OEIC光接收機(jī) 納米壓印
Abstract：The coupling efficiency and return loss between deep ridge waveguide and shallow ridge waveguide has been analyzed theoretically，an improved structure with taper has been proposed and fabricated. The result of the made-up device indicates that the insert loss on the butt-joint interface is less than 1.5 dB. Various kinds of multi-wavelength laser array and high-performance DFB lasers has been fabricated which confirmed that the nanoimprint technology is flexible enough for a range of abilities. The thermal tuning and thermal crosstalk attributes are studied which could be used to control the wavelength tuning of the laser array. Modification and redesigning on AWG is proceed based on the test result of the device fabricated in last year. The new device according to the modified design shows the result 1.56 nm wavelength interval and centre wavelength 1 549.7 nm which meet the 200 GHz c-band standard. The design， fabrication and test of the monolithic chip of four channel laser array integrated with MMI combiner are completed. The packing design of the chip is also finish. As there are too many pins of the monolithic chip of which the DC offset， the microwave signal， thermal tuning signal would bring in coupling， crosstalk wiring cross effects each other if use the single layer board， the multilayer transition board is employed to separate the pins， reduce the electrical crosstalk. The chip test platform is also established for this device. The fabrication and test of the dual wavelength semiconductor laser based on micro-ring is also accomplished， which introduce the InP MQW laser wafer， adopt ICP dry etch and SiO2 passivation technology. The sample achieved laser monolithic. The peak wavelength and wavelength interval can be tuned by turn the injection current of this laser. The circuit modeling of the 10 GB/s monolithic OEIC optical receiver based on the InP material is studied. The common base and common emitter OEIC is designed， fabricated and tested. The transmission speed of the TIA is reached 10 GB/s， the bandwidth of the PIN 7.8 G Hz， and the transmission speed of the OEIC component reached 4 GB/s. The eye pattern is clear. The practicality of the quasi monolithic OEIC transmitter based on Si is also explored. We can sputter metal on the ditch corroded by wet etch on Si，and mount the FP laser chip on it. By wiring the electrode to the Si substrate， the quasi monolithic integrated with the Si CMOS laser driver circuit could be achieved.
Key Words：Photonic integrated circuit；Multi-wavelength micro-ring laser；Multi-wavelength semiconductor laser Array 10Gb/s monolithic integrated OEIC receiver based on InP nanoimprint technology butt-joint；Array waveguide gratings
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光纖通信技術(shù)的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)初人們的預(yù)料，光纖已經(jīng)成為通信網(wǎng)的重要傳輸媒介，現(xiàn)在世界上大約有60%的通信業(yè)務(wù)經(jīng)光纖傳輸，到20世紀(jì)末將達(dá)到85%，但從目前光纖通信的整體水平來看，仍處于初級(jí)階段，光纖通信的巨大潛力還沒有完全開發(fā)出來。目前，各種新技術(shù)層出不窮，密集波分復(fù)用技術(shù)（DWDM，在同一根光纖內(nèi)傳輸多路不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，以提高單根光纖的傳輸能力）、摻鉺光纖放大器技術(shù)（EDFA，可將光信號(hào)直接放大，具有輸出功率高、噪聲小，增益帶寬等優(yōu)點(diǎn)）已取得突破性進(jìn)展并得到廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在DWDM系統(tǒng)和光傳輸設(shè)備中，光電技術(shù)的比例將從過去比重不到10%達(dá)到90%。一種全新的、無需進(jìn)行任何光電變換的光波通信——“全光通信”，由于波分復(fù)用技術(shù)和摻鉺光纖放大器技術(shù)的進(jìn)展，也日趨成熟，將在橫跨太平洋和大西洋的通信系統(tǒng)上首次使用，給全球的通信業(yè)帶來蓬勃生機(jī)。為此提供支撐的就是半導(dǎo)體光電子器件和部件。光電子器件和技術(shù)已形成一個(gè)快速增長(zhǎng)的、巨大的光電子產(chǎn)業(yè)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著越來越大的作用。美國(guó)光電子產(chǎn)業(yè)振興協(xié)會(huì)估計(jì)，到2003年，光電子產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值將達(dá)2000億美元。
Internet應(yīng)用的飛速增長(zhǎng)對(duì)電信骨干網(wǎng)帶寬提出越來越高的需求，為滿足需求的增長(zhǎng)，人們可以鋪設(shè)更多的光纖，或靠提高單路光的信息運(yùn)載量（現(xiàn)在主干網(wǎng)可以分別工作在2.5Gbps和10Gbps，并已有40Gbps的演示性設(shè)備）。但更主要的方法卻是靠發(fā)展波分復(fù)用技術(shù)，增加光纖內(nèi)通光的路數(shù)（光波分復(fù)用的實(shí)驗(yàn)記錄已經(jīng)達(dá)到2.64Tbps）。波分復(fù)用技術(shù)的普遍運(yùn)用為光電子器件和部件提供了廣闊的、快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)。無限戰(zhàn)略公司的報(bào)告指出：“信號(hào)傳輸用1.31μm和1.55μm激光器市場(chǎng)1999年達(dá)到13億美元，比去年增加23%；1.48μm信號(hào)放大用激光器1999年市場(chǎng)份額達(dá)到1.6億美元，比去年增加33%；980nm信號(hào)放大用激光器銷售額達(dá)2.9億美元，比去年增長(zhǎng)121%。整個(gè)激光器市場(chǎng)的份額1999年達(dá)18億美元，預(yù)期2003年將達(dá)到30億美元”。美國(guó)通信工業(yè)研究公司（CIR）的研究預(yù)測(cè)，北美市場(chǎng)光電子部件的市場(chǎng)規(guī)模將由目前的28億美元增長(zhǎng)到2003年的61億美元，約每年增長(zhǎng)18.5%。密集波分復(fù)用設(shè)備銷售額也將從1998年的22億美元增加到2004年的94億美元。報(bào)告稱雖然10年內(nèi)全光通信還不會(huì)全面商業(yè)化，但是全光交換將在幾年內(nèi)成為市場(chǎng)主流，報(bào)告也指出盡管光學(xué)部件市場(chǎng)被大公司所占據(jù)，但仍有創(chuàng)新性公司進(jìn)入的可能。
2我國(guó)的光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)
近10年來我國(guó)光電子技術(shù)研究在國(guó)家“863”計(jì)劃和有關(guān)部門的支持下有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，在很多領(lǐng)域同國(guó)外先進(jìn)國(guó)家只有兩三年的距離，個(gè)別領(lǐng)域還處于世界領(lǐng)先地位。
國(guó)內(nèi)光電子有關(guān)產(chǎn)業(yè)基地在光電子器件、部件和子系統(tǒng)（如激光器、探測(cè)器、光收發(fā)模塊、EDFA、無源光器件）等已經(jīng)占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)較大的市場(chǎng)份額，初步具備同國(guó)外大公司競(jìng)爭(zhēng)的能力，在毫無市場(chǎng)保護(hù)的情況下，靠自己的力量爭(zhēng)得了一席之地，市場(chǎng)營(yíng)銷逐年有較大的增長(zhǎng)，個(gè)別產(chǎn)品還取得國(guó)際市場(chǎng)相關(guān)產(chǎn)品中的銷量最大的成績(jī)。我國(guó)相應(yīng)研究發(fā)展基地和本領(lǐng)域高技術(shù)公司的許多產(chǎn)品填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的空白，打破國(guó)外產(chǎn)品在市場(chǎng)上的壟斷地位，同時(shí)爭(zhēng)取進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。
摻鉺光纖放大器（EDFA）是高速大容量光纖通信系統(tǒng)必需的關(guān)鍵部件，國(guó)內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)40%的份額。我國(guó)也是目前國(guó)際上少數(shù)幾個(gè)有能力研制PIC和OEIC的國(guó)家。808nm大功率激光器及其泵浦的固體綠光激光器，670nm紅光激光器已產(chǎn)品化和商品化并批量占領(lǐng)國(guó)際市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)移動(dòng)通信的光纖直放站所用的光電器件，90%使用國(guó)產(chǎn)器件，國(guó)產(chǎn)1.55μmDFB激光器戰(zhàn)勝了國(guó)外器件，占領(lǐng)了100%的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。
但是，我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到在我國(guó)光電子技術(shù)發(fā)展中，光電子器件、部件雖是光通信、光顯示、光存儲(chǔ)等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵部分，但在整個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備成本中所占的比重較小，其產(chǎn)值較低，目前科研開發(fā)主要處于跟蹤和小批量生產(chǎn)階段，光電子產(chǎn)業(yè)所需的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)目前還未有實(shí)質(zhì)突破；國(guó)內(nèi)研究生產(chǎn)的光電器件和部件有相當(dāng)部分還未能滿足整機(jī)和系統(tǒng)的要求，導(dǎo)致國(guó)外器件占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)相當(dāng)多的份額；在機(jī)制上仍未擺脫科研、生產(chǎn)、市場(chǎng)相互脫離的狀況。
我國(guó)在光電子技術(shù)方面是與國(guó)際水平差距相對(duì)較小的一個(gè)領(lǐng)域，與世界發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)缀跬瑫r(shí)起步。但是我們應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到我國(guó)制造技術(shù)的落后和材料水平有限，而國(guó)際上光電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入加速發(fā)展階段，留給我們的時(shí)間只有三到五年，如果我們不在目前產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)發(fā)展階段進(jìn)入，就會(huì)失去大好時(shí)機(jī)。機(jī)不可失，時(shí)不再來，到產(chǎn)業(yè)化后期時(shí)將要花數(shù)倍的力量才能彌補(bǔ)，也許會(huì)徹底失去時(shí)機(jī)，受制于人。
如果一個(gè)國(guó)家在一代元件上沒有足夠的投資以發(fā)展自主能力，就會(huì)給外國(guó)競(jìng)爭(zhēng)者提供進(jìn)入并占領(lǐng)下幾代技術(shù)市場(chǎng)的機(jī)會(huì)。因而在關(guān)鍵器件、部件等方面，要通過引進(jìn)社會(huì)資金和風(fēng)險(xiǎn)投資，知識(shí)產(chǎn)權(quán)入股、開發(fā)人員持股等方式加快我國(guó)光電子成果的產(chǎn)業(yè)化步伐，鼓勵(lì)科研人員成果轉(zhuǎn)化。只要貫徹有“有所為，有所不為”的方針，狠抓創(chuàng)新和高技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，打破行業(yè)界限，按市場(chǎng)機(jī)制聯(lián)合國(guó)內(nèi)相關(guān)研究和開發(fā)單位，共同作好光電子產(chǎn)業(yè)化的工作，就一定能發(fā)展我國(guó)的光電子事業(yè)，有望在研究上取得突破，在產(chǎn)業(yè)上形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)，取得我國(guó)在該領(lǐng)域應(yīng)有的市場(chǎng)份額。
關(guān)鍵詞：光纖通信技術(shù)應(yīng)用發(fā)展
光纖通信是利用光作為信息載體、以光纖作為傳輸媒介的通信方式。具有頻帶極寬，通信容量大；損耗低，中繼距離長(zhǎng)；抗電磁干擾能力強(qiáng)；無串音干擾，保密性好；體積小重量輕，易于敷設(shè)；原材料資源豐富，可節(jié)約金屬材料，成本低等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，決定了它在通信技術(shù)里的主導(dǎo)地位。但任何一種技術(shù)體系都必須不斷的發(fā)展，來滿足用戶不斷的需求，光纖通信技術(shù)也不例外。有人認(rèn)為：光纖通信的傳輸能力已經(jīng)達(dá)到10Tbps，幾乎用不完，而且現(xiàn)在大干線已經(jīng)建設(shè)得差不多，埋地的剩余光纖還很多，光纖通信技術(shù)不需要更多的發(fā)展，但我認(rèn)為它還具有很大的發(fā)展空間，會(huì)有很大的需求和市場(chǎng)。主要體現(xiàn)在：?jiǎn)卫w雙向傳輸技術(shù)、 光纖到戶（FTTH）接入技術(shù)、骨干節(jié)點(diǎn)的光交換技術(shù)和研發(fā)集成光電子器件等方面。
1單纖雙向傳輸技術(shù)
單纖雙向傳輸技術(shù)是相對(duì)于雙纖雙向傳輸來講的，雙纖傳輸時(shí)，收發(fā)信號(hào)分別在不同的兩根光纖里傳輸，而單纖傳輸時(shí)，收發(fā)信號(hào)被調(diào)制在不同的波段后在同一根光纖里傳輸。以前為了節(jié)約光纖資源，我們不斷在光纖傳輸容量上下工夫，從PDH的8M，34M，140M 到 SDH 的 155M，622M，2.5G，10G 再到 WDM 的320G，1600G等，光纖的傳輸容量不斷增大，從理論上講光纖的傳輸容量是無限的，但受到設(shè)備器件的限制，傳輸容量大大降低，達(dá)不到理論效果。目前光纖通信傳送網(wǎng)都是通過雙纖雙向傳輸?shù)?，假如改用單纖雙向傳輸技術(shù)就可以節(jié)約一半的光纖資源。對(duì)于現(xiàn)存的無數(shù)個(gè)龐大的光纖通信傳送網(wǎng)來說，可以節(jié)約的光纖資源是可想而知的。研發(fā)出成熟的單纖雙向傳輸技術(shù)具有劃時(shí)代意義。目前單纖雙向傳輸技術(shù)已有實(shí)用，但主要用在光纖末端接入設(shè)備：PON無源光網(wǎng)絡(luò)、單纖光收發(fā)器等設(shè)備，骨干傳送網(wǎng)上暫時(shí)還沒有用到這個(gè)技術(shù)。從這個(gè)方面來講，這也是光纖通信技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。
2光纖到戶（FTTH）接入技術(shù)
根據(jù)社會(huì)發(fā)展形勢(shì)，HDTV高清數(shù)字電視是將來的主流業(yè)務(wù)，怎么實(shí)現(xiàn)，就要靠帶寬豐富的FTTH技術(shù)。FTTH是一種全透明全光纖的光接入網(wǎng)，適用于引進(jìn)新業(yè)務(wù)，對(duì)傳輸制式、帶寬和波長(zhǎng)等基本上沒有限制，并且ONU安裝在用戶處，供電、維護(hù)、升級(jí)更新都比較方便?？梢哉J(rèn)為HDTV是FTTH的主要推動(dòng)力，即HDTV業(yè)務(wù)到來時(shí)，非FTTH不可。而且在FTTH建成后可以逐步實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)合一，即寬帶上網(wǎng)接入、有線電視接入和傳統(tǒng)固定電話接入。
FTTH的解決方案通常有P2P點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和PON無源光網(wǎng)絡(luò)兩大類。
P2P方案――優(yōu)點(diǎn)：各用戶獨(dú)立傳輸，互不影響，體制變動(dòng)靈活；可以采用廉價(jià)的低速光電子模塊；傳輸距離長(zhǎng)。缺點(diǎn)：為了減少用戶直接到局的光纖和管道，需要在用戶區(qū)安置一個(gè)匯總用戶的有源節(jié)點(diǎn)。
PON方案――優(yōu)點(diǎn)：無源網(wǎng)絡(luò)維護(hù)簡(jiǎn)單；原則上可以節(jié)省光電子器件和光纖。缺點(diǎn)：需要采用昂貴的高速光電子模塊；需要采用區(qū)分用戶距離不同的電子模塊，以避免各用戶上行信號(hào)互相沖突；傳輸距離受PON分比而縮短；各用戶的下行帶寬互相占用，如果用戶帶寬得不到保證時(shí)，不單是要網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容，還需要更換PON和更換用戶模塊來解決。PON有多種，一般有如下幾種：(1)APON：即ATM-PON，適合ATM交換網(wǎng)絡(luò)。(2)BPON：即寬帶的PON。(3) OPON：采用通用幀處理的OFP-PON。(4)EPON：采用以太網(wǎng)技術(shù)的PON，GEPON是千兆畢以太網(wǎng)的PON。(5)WDM-PON：采用波分復(fù)用來區(qū)分用戶的PON，由于用戶與波長(zhǎng)有關(guān)，使維護(hù)不便，在FTTH中很少采用。
值得一提的是，近來，無線接入技術(shù)發(fā)展迅速?？捎米鱓LAN的IEEE802.11協(xié)議，傳輸帶寬可達(dá)54Mbps，覆蓋范圍達(dá)100米以上，目前已商用。如果采用無線接入WLAN作用戶的數(shù)據(jù)傳輸，包括：上下行數(shù)據(jù)和點(diǎn)播電視VOD的上行數(shù)據(jù)，對(duì)于一般用戶其上行不大，IEEE802.11是可以滿足的。而采用光纖的FTTH主要是解決HDTV寬帶視頻的下行傳輸，當(dāng)然在需要時(shí)也可包含一些下行數(shù)據(jù)。這就形成“光纖到戶+無線接入”(FTTH+無線接入)的家庭網(wǎng)絡(luò)。這種家庭網(wǎng)絡(luò)，如果采用PON，就特別簡(jiǎn)單，因?yàn)榇薖ON無上行信號(hào)，就不需要測(cè)距的電子模塊，成本大大降低，維護(hù)簡(jiǎn)單。如果，所屬PON的用戶群體，被無線城域網(wǎng)覆蓋而可利用，那么可不必建設(shè)專用的WLAN，只需靠密布于用戶臨近的光纖網(wǎng)來支撐就可實(shí)現(xiàn)，與FTTH相差無幾。FTTH+無線接入也是未來的發(fā)展方向。
3骨干節(jié)點(diǎn)的光交換技術(shù)
光交換實(shí)際上可表示為：光纖通信傳輸+交換。
光纖只是解決傳輸問題，還需要解決光信號(hào)交換問題。過去，通信網(wǎng)都是由金屬線纜構(gòu)成的，傳輸?shù)氖请娮有盘?hào)，交換是采用電子交換機(jī)?，F(xiàn)在，通信網(wǎng)除了用戶末端一小段外，都是光纖，傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，而交換的還是電信號(hào)。真正合理的方法應(yīng)該采用光交換的。但目前，由于光開關(guān)器件不成熟，只能采用的是 “光―電―光“方式來解決光網(wǎng)的交換，即把光信號(hào)變成電信號(hào)，待電子交換后，再變換成光信號(hào)。顯然這是不合理的辦法，效率不高且不經(jīng)濟(jì)?，F(xiàn)在正在開發(fā)大容量的光開關(guān)器件，用來實(shí)現(xiàn)光交換網(wǎng)絡(luò)，具有代表性的是ASON-自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)。
通常在光網(wǎng)絡(luò)里傳輸?shù)男畔?，一般速度都是高速的，電子開關(guān)不能勝任，只能在低次群中實(shí)現(xiàn)電子交換。而光交換可實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)的交換。當(dāng)然，也不是說，一切都要用光交換，特別是低速，顆粒小的信號(hào)的交換，應(yīng)采用成熟的電子交換技術(shù)，沒有必要采用不成熟的大容量的光交換技術(shù)。當(dāng)前，在數(shù)據(jù)網(wǎng)中，信號(hào)以 “包”的形式出現(xiàn)，采用所謂“包交換”。包的顆粒比較小，可采用電子交換。然而，在一些骨干節(jié)點(diǎn)，它們承擔(dān)的是業(yè)務(wù)匯聚任務(wù)，信號(hào)速率高，應(yīng)該考慮采用容量大的光交換。
目前，少通道大容量的光交換已有實(shí)用。如用于保護(hù)、下路和小量通路調(diào)度等，一般采用機(jī)械光開關(guān)、熱光開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。由于這些光開關(guān)的體積、功耗和集成度的限制，通路數(shù)一般在8―16個(gè)。
電子交換一般有“空分” 和“時(shí)分”方式，在光交換中有“空分”“時(shí)分”和“波長(zhǎng)交換”方式。光纖通信很少采用光時(shí)分交換。
光空分交換：采用光開關(guān)把光信號(hào)從某一光纖轉(zhuǎn)到另一光纖?？辗值墓忾_關(guān)有機(jī)械的、半導(dǎo)體的和熱光開關(guān)等。近來，采用集成技術(shù)，開發(fā)出MEM微電機(jī)光開關(guān)，其體積小到mm。已開發(fā)出1296x1296MEM光交換機(jī)(Lucent)，但屬于試驗(yàn)性質(zhì)的。
光波長(zhǎng)交換：是對(duì)各交換對(duì)象賦于一個(gè)特定的波長(zhǎng)。于是，發(fā)送某一特定波長(zhǎng)就可與某特定對(duì)象進(jìn)行通信。實(shí)現(xiàn)光波長(zhǎng)交換的關(guān)鍵是需要開發(fā)實(shí)用化的可變波長(zhǎng)的光源，光濾波器和集成的低功耗的可靠的光開關(guān)陣列等?，F(xiàn)已開發(fā)出640x640半導(dǎo)體光開關(guān)+AWG的空分與波長(zhǎng)相結(jié)合的交叉連接試驗(yàn)系統(tǒng)(corning) 。采用光空分和光波分可構(gòu)成非常靈活的光交換網(wǎng)。
技術(shù)成熟的自動(dòng)交換的光網(wǎng)絡(luò)ASON，是光纖通信技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的方向。
4研發(fā)集成光電子器件
如同電子器件那樣，光電子器件也要走向集成化。雖然不是所有的光電子器件都要集成，但會(huì)有相當(dāng)?shù)囊徊糠质切枰沂强梢约傻?。目前正在發(fā)展的PLC-平面光波導(dǎo)線路，如同一塊印刷電路板，可以把光電子器件，如DFB和DBR半導(dǎo)體激光器、量子阱半導(dǎo)體激光器、波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器、波長(zhǎng)可調(diào)諧光器、光開關(guān)器件、無源光器件、光邏輯器件等需要的器件組裝于其上，也可以直接集成為一個(gè)光電子器件。
日本NTT采用PLO技術(shù)研制出16x16熱光開關(guān)；1x128熱光開關(guān)陣列；用集成和混合集成工藝把32通路的AWG+可變光衰減器+光功率監(jiān)測(cè)集成在一起；8波長(zhǎng)每波速率為10Gbps的WDM的復(fù)用和去復(fù)用分別集成在一塊芯片上，尺寸僅15x7mm 。NTT采用以上集成器件構(gòu)成32通路的OADM 其中有些已經(jīng)商用。近幾年，集成光電子器件有比較大的改進(jìn)。
我國(guó)的集成光電子器件也有一定進(jìn)展。集成的小通道光開關(guān)和屬于PLO技術(shù)的AWG有所突破。但與發(fā)達(dá)國(guó)家尚有較大差距。如果我們不迎頭趕上，就會(huì)重復(fù)如同微電子落后的被動(dòng)局面。要實(shí)現(xiàn)單纖雙向傳輸也好，F(xiàn)TTH也好，ASON也好，都需要有新的、體積小的、廉價(jià)的、集成化的光電子器件來支撐，集成光器件的研發(fā)成為光纖通信技術(shù)發(fā)展必不可少的環(huán)節(jié)。
5結(jié)束語(yǔ)
事實(shí)證明光纖通信技術(shù)不僅應(yīng)用在通信的主干線路中，還可以應(yīng)用在電力通信控制系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制等，而且在軍事領(lǐng)域的用途也越來越廣泛。為了能在這些領(lǐng)域發(fā)揮出其更出色的作用，我們的光纖通信技術(shù)就要不斷的更新發(fā)展，研究出更經(jīng)濟(jì)、更實(shí)用、更方便的光纖通信技術(shù)。
參考文獻(xiàn)：
本文的主角――陜西師范大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院特聘教授胡鑒勇，是國(guó)內(nèi)有機(jī)光電子材料研究領(lǐng)域的新生代杰出代表。以有機(jī)電致發(fā)光二極管（OLED）、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFET）和有機(jī)太陽(yáng)能電池（OPV）為代表的有機(jī)光電子材料和器件是研究的熱點(diǎn)，胡鑒勇博士長(zhǎng)期致力于應(yīng)用于高性能有機(jī)光電子器件的新型有機(jī)/高分子半導(dǎo)體材料的開發(fā)和研究，在高效穩(wěn)定的有機(jī)光電子材料的設(shè)計(jì)、合成、性能表征及其在有機(jī)光電子元器件的應(yīng)用方面開展了大量創(chuàng)新性研究，取得了一系列原創(chuàng)性成果，逐漸成長(zhǎng)為有機(jī)光電子材料領(lǐng)域的骨干力量。
勤奮鉆研，鑄就科研里程碑
早1995年大學(xué)畢業(yè)后，胡鑒勇在家鄉(xiāng)的一所中學(xué)擔(dān)任了9年的化學(xué)教師；2004年留學(xué)于日本佐賀大學(xué)獲得工學(xué)博士學(xué)位，隨后進(jìn)入日本山形大學(xué)有機(jī)光電子研究中心，OLED研究世界權(quán)威科學(xué)家城戶淳二教授（Prof. Junji Kido）研究室進(jìn)行博士后研究，并在日本世界級(jí)科研中心-日本理化學(xué)研究所RIKEN，跟隨著名有機(jī)半導(dǎo)體材料科學(xué)家龍宮和男教授（Prof. Kazuo Takimiya）從事特別研究員工作；2015年由陜西師范大學(xué)以海外高層次人才-陜西省“百人計(jì)劃”特聘教授身份引進(jìn)到陜師大材料科學(xué)與工程學(xué)院工作。
“勤奮、刻苦、創(chuàng)新、突破”是胡鑒勇博士的特點(diǎn)，在日本求學(xué)工作期間，他參與過一項(xiàng)日本國(guó)家研發(fā)課題（高效有機(jī)電子器件研發(fā)），承擔(dān)過日本文部科學(xué)省、日本新能源和產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）和日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)（JST）資助的多項(xiàng)研究課題。
在有機(jī)深藍(lán)熒光材料的研究方面胡鑒勇博士貢獻(xiàn)卓著。高效率的深藍(lán)發(fā)光能最大限度地提高全彩顯示品質(zhì)或照明的顯色指數(shù)，有效降低OLED顯示器的功耗，開發(fā)性能好的藍(lán)光材料，尤其是具有高的發(fā)光效率和CIE色度坐標(biāo)Y值小于0.10的深藍(lán)光材料對(duì)于實(shí)現(xiàn)高性能的OLED器件意義重大，胡鑒勇博士設(shè)計(jì)合成了一類新的蒽類衍生物―基于雙蒽的D-A型深藍(lán)延遲熒光材料，通過對(duì)傳統(tǒng)的藍(lán)光始祖材料蒽分子進(jìn)行一系列結(jié)構(gòu)上的修飾，包括采取苯基為中心橋鏈和pi共軛阻隔基團(tuán)，在其對(duì)位上分別引入以單蒽為核的電子供體單元（D）和電子受體單元（A），形成了具有獨(dú)特的雙蒽結(jié)構(gòu)的D-A型材料分子，以該類材料為發(fā)光體，成功實(shí)現(xiàn)了滿足高清晰度電視（HDTV）藍(lán)光標(biāo)準(zhǔn)的高效率器件，對(duì)實(shí)現(xiàn)高性能OLED器件具有“里程碑”式的創(chuàng)新意義。該工作發(fā)表在材料領(lǐng)域國(guó)際頂尖期刊《先進(jìn)功能材料》上（Adv. Funct. Mater. 2014， 24， 2064），并入選SCI高被引論文（top 1%）。
在空氣穩(wěn)定的、高遷移率的雙極性有機(jī)半導(dǎo)體材料的研究方面胡鑒勇博士成績(jī)斐然。開發(fā)空氣穩(wěn)定的、高遷移率的n型和雙極性有機(jī)半導(dǎo)體材料，是實(shí)現(xiàn)高性能OFET的前提。胡鑒勇博士和團(tuán)隊(duì)成員一起合作開發(fā)了一種全新的電子受體單元―萘并二噻吩二酰亞胺（NDTI），以其為共聚電子受體中心的D-A型聚合物實(shí)現(xiàn)了空氣穩(wěn)定的，高遷移率的n型和雙極性有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該成果發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)上（J. Am. Chem. Soc. 2013， 135， 11445），并入選SCI高被引論文（top 1%）。以此為契機(jī)，胡鑒勇博士進(jìn)一步基于NDTI發(fā)展了新型雙極性有機(jī)小分子材料，并實(shí)現(xiàn)了空氣穩(wěn)定的、可溶液加工的、高遷移率的雙極性有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和互補(bǔ)邏輯電路（J. Mater. Chem. C， 2015， 3， 4244； Chem. Mater. 2015， 27， 6418）。
在非富勒烯受體材料的研究方面胡鑒勇博士成效顯著。近些年來，以聚合物電子給體和富勒烯電子受體材料為活性層的本體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池取得了巨大的進(jìn)步，但由于富勒烯價(jià)格昂貴、吸收光譜和能級(jí)調(diào)制較為困難，開發(fā)高效的n型聚合物電子受體材料來替代富勒烯備受業(yè)界關(guān)注。胡鑒勇博士開發(fā)的基于NDTI的有機(jī)小分子和聚合物，作為非富勒烯受體材料，在全聚合物OPV器件中取得了較好的光電轉(zhuǎn)換效率（ACS Macro Lett. 2014， 3， 872）。
迄今為止，胡鑒勇博士以第一作者或通訊作者在Adv. Funct. Mater.； J. Am. Chem. Soc.； Chem. Commun.； Org. Lett.； J. Mater. Chem. C.； Chem. Eur. J.；和J. Org. Chem.等國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊上共發(fā)表SCI論文30余篇，受邀撰寫英文論著1章， 在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上作講演報(bào)告20余次，多次受邀在國(guó)內(nèi)著名大學(xué)和學(xué)會(huì)上做學(xué)術(shù)交流報(bào)告，申請(qǐng)日本專利多項(xiàng)，已授權(quán)2項(xiàng)。多年來作為一名有機(jī)光電子材料領(lǐng)域的科研人員，胡鑒勇博士兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求，以自己的實(shí)際行動(dòng)為鑄就科研力量不斷添磚加瓦。
迎接挑戰(zhàn)，提升人生新高度
“十年彈指一揮間”，十年前為了提升人生高度，豐富人生閱歷，胡鑒勇博士以34歲的“高齡”選擇自費(fèi)出國(guó)留學(xué)路，付出了常人難以想象的的艱辛和努力；十年后懷揣著拳拳赤子之心，胡鑒勇博士毅然謝絕多家日本和國(guó)內(nèi)公司的誠(chéng)意邀請(qǐng)，選擇了陜西師范大學(xué)作為自己事業(yè)發(fā)展的新平臺(tái)。
為了進(jìn)一步提升有機(jī)光電子材料研究新高度，拓展以有機(jī)電致發(fā)光二極管（OLED）、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFET）和有機(jī)太陽(yáng)能電池（OPV）為代表的有機(jī)光電子材料和器件在新型信息顯示、綠色節(jié)能固體照明和新能源等技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，胡鑒勇博士爭(zhēng)取到了多項(xiàng)科研課題，在不到一年的時(shí)間里，成功打造了一個(gè)環(huán)境優(yōu)美、設(shè)備一流的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和一個(gè)小而精致的科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，以期在OLED躋身最具發(fā)展前景的下一代顯示技術(shù)和固態(tài)照明技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，OFET應(yīng)用于有機(jī)傳感器、有源矩陣顯示、射頻標(biāo)簽、電子紙等新興產(chǎn)業(yè)，OPV技術(shù)光電轉(zhuǎn)換效率實(shí)用化等領(lǐng)域大顯身手，開展更深入、更細(xì)致的高端研究工作。
Leeds, UK.
Quantum Wells, Wires
and Dots
2009, 538pp.
Paperback
ISBN: 9780470770979
John Wiley
Paul Harrison著
半導(dǎo)體納米材料是納米材料的一個(gè)重要組成部分,由于能帶工程而實(shí)現(xiàn)的半導(dǎo)體超晶格、量子阱、量子線和量子點(diǎn)這類低維結(jié)構(gòu)具有的獨(dú)特物理性質(zhì),使得納米薄膜、納米微粒、納米團(tuán)簇、納米量子點(diǎn)等所顯示出的新穎的電、磁、光以及力學(xué)性質(zhì),令它們與電子學(xué)、光電子學(xué)以及通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。納米結(jié)構(gòu)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(guān)于“量子阱、量子線及量子點(diǎn)”的綜合教科書,為熟悉固態(tài)物理的人從理論和計(jì)算兩個(gè)方面講述了如何計(jì)算半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中電子、光子的性質(zhì)及輸運(yùn)性質(zhì)。作者采用了類似數(shù)學(xué)教科書的方法講述了關(guān)于半導(dǎo)體納米材料的各種性質(zhì),由各個(gè)示例給出標(biāo)準(zhǔn)解法并附帶詳細(xì)的推導(dǎo)過程及計(jì)算程序代碼。讀者可以根據(jù)這一系列推導(dǎo)獨(dú)立驗(yàn)證他們自己碰到的新的理論假設(shè)并對(duì)其作出合理的解釋。就像作者所說的那樣――本書包含“一切”計(jì)算半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中電子、光子的性質(zhì)及輸運(yùn)性質(zhì)的知識(shí),讀者不需要其他參考書,可以從零開始學(xué)習(xí)。
不同于前兩版,本書沒有附帶計(jì)算機(jī)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(guān)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(tuán)、光波導(dǎo)及量子阱中的光子性質(zhì)等,大約占全部相關(guān)內(nèi)容的20%。
本書作者Paul Harrison目前是英國(guó)利茲大學(xué)(University of Leeds)電子與電機(jī)工程學(xué)院微波及光子研究所教授。主要從事于基于量子力學(xué)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(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。
本書適用于半導(dǎo)體及凝聚態(tài)物理專業(yè)的研究生,以及從事半導(dǎo)體納米材料的相關(guān)理論和工業(yè)應(yīng)用研究的從業(yè)人員。
靳紹巍,博士生
(中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所)
石家莊十三所是國(guó)企事業(yè)單位，石家莊十三所就是中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，于1956年建于北京，1963年遷至石家莊。十三所是我國(guó)成立早、規(guī)模大、技術(shù)力量雄厚、專業(yè)結(jié)構(gòu)配套的綜合性微電子研究所，是國(guó)家首批“微電子學(xué)與固體電子學(xué)”專業(yè)工學(xué)碩士學(xué)位授予單位。
十三所科學(xué)研究涉及的專業(yè)領(lǐng)域主要包括，微波和毫米波半導(dǎo)體器件及集成電路、砷化鎵超高速集成電路、新型光電子器件及集成電路、微波通訊及光纖通訊部件和整機(jī)、微電子機(jī)械系統(tǒng)、新型電力電子器件及模塊、半導(dǎo)體專用設(shè)備開發(fā)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究及開發(fā)等。
十三所的宗旨是以高技術(shù)研究為先導(dǎo)，以高技術(shù)產(chǎn)品為核心，促進(jìn)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。建所四十余年來，已取得2000多項(xiàng)科研成果，十三所實(shí)力雄厚，經(jīng)濟(jì)收益良好，有較強(qiáng)的科研、開發(fā)能力，生活設(shè)施較為完備，環(huán)境優(yōu)美，交通便利，通訊發(fā)達(dá)，國(guó)內(nèi)外信息交流方便。
（來源：文章屋網(wǎng) ）
關(guān)鍵詞半導(dǎo)體材料量子線量子點(diǎn)材料光子晶體
1半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略地位
上世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命；上世紀(jì)70年代初石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進(jìn)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(jìn)入了信息時(shí)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(jì)思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jì)格局和軍事對(duì)抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>
2幾種主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
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(shì)。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實(shí)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(shù)正處在由實(shí)驗(yàn)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(píng)估。18英寸重達(dá)414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(huì)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(yīng)對(duì)現(xiàn)有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術(shù)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(shù)等來提高ULSI的集成度、運(yùn)算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對(duì)更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計(jì)算和DNA生物計(jì)算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導(dǎo)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(diǎn)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(dǎo)體材料研發(fā)的重點(diǎn)。
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(diǎn)；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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過200噸，其中以低位錯(cuò)密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長(zhǎng)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(dòng)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(guó)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(jià)格居高不下。
GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢(shì)是：
（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產(chǎn)，預(yù)計(jì)本世紀(jì)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(cuò)。
（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技術(shù)。
2.3半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料
半導(dǎo)體超薄層微結(jié)構(gòu)材料是基于先進(jìn)生長(zhǎng)技術(shù)（MBE，MOCVD）的新一代人工構(gòu)造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設(shè)計(jì)思想，出現(xiàn)了“電學(xué)和光學(xué)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(chǔ)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(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)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(dá)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(dá)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(cè)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；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達(dá)到或接近達(dá)到實(shí)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(dòng)電路所需的低維結(jié)構(gòu)材料是解決光纖通信瓶頸問題的關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實(shí)驗(yàn)。另外，用于制造準(zhǔn)連續(xù)兆瓦級(jí)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(gòu)端面發(fā)射激光器是目前光電子領(lǐng)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(zāi)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(jí)聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國(guó)早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級(jí)聯(lián)激光器，輸出功率達(dá)5W以上；2000年初，法國(guó)湯姆遜公司又報(bào)道了單個(gè)激光器準(zhǔn)連續(xù)輸出功率超過10瓦好結(jié)果。最近，我國(guó)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(yīng)用前景。
為克服PN結(jié)半導(dǎo)體激光器的能隙對(duì)激光器波長(zhǎng)范圍的限制，1994年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)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(jí)聯(lián)激光器，突破了半導(dǎo)體能隙對(duì)波長(zhǎng)的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級(jí)聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來，Bell實(shí)驗(yàn)室等的科學(xué)家，在過去的7年多的時(shí)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(jìn)展。2001年瑞士Neuchatel大學(xué)的科學(xué)家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)使波長(zhǎng)為9.1μm的QCLs的工作溫度高達(dá)312K，連續(xù)輸出功率3mW.量子級(jí)聯(lián)激光器的工作波長(zhǎng)已覆蓋近紅外到遠(yuǎn)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(xué)連接等方面顯示出重要的應(yīng)用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級(jí)聯(lián)激光器；中科院半導(dǎo)體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準(zhǔn)連續(xù)應(yīng)變補(bǔ)償量子級(jí)聯(lián)激光器，使我國(guó)成為能研制這類高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個(gè)國(guó)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(gòu)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(shè)備已研制成功并投入使用，每臺(tái)年生產(chǎn)能力可高達(dá)3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國(guó)卡迪夫的MOCVD中心，法國(guó)的PicogigaMBE基地，美國(guó)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(shè)備的成熟與應(yīng)用，必然促進(jìn)襯底材料設(shè)備和材料評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展。
（2）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(biāo)。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(gè)亟待解決的問題。雖經(jīng)多年研究，但進(jìn)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(diǎn)和量子點(diǎn)超晶格材料，Si／SiC量子點(diǎn)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(bào)道，使人們看到了一線希望。
另一方面，GeSi／Si應(yīng)變層超晶格材料，因其在新一代移動(dòng)通信上的重要應(yīng)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(dá)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(shí)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(cuò)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?cè)?2英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(xié)變層（柔性層），成功的生長(zhǎng)了器件級(jí)的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進(jìn)展。
2.4一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)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(kù)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(shí)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(zhǎng)與制備主要集中在幾個(gè)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(jìn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點(diǎn)激光器，工作波長(zhǎng)lμm左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)3.6～4W.特別應(yīng)當(dāng)指出的是我國(guó)上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點(diǎn)激光器的有源區(qū)材料結(jié)構(gòu)中引入應(yīng)力緩解層，抑制了缺陷和位錯(cuò)的產(chǎn)生，提高了量子點(diǎn)激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)輸出功率為1W時(shí)工作壽命超過5000小時(shí)，這是大功率激光器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，至今未見國(guó)外報(bào)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(jìn)展，1994年日本NTT就研制成功溝道長(zhǎng)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(guó)又報(bào)道了可在室溫工作的單電子開關(guān)器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了128Mb的單電子存貯器原型樣機(jī)的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應(yīng)用方面邁出的關(guān)鍵一步。目前，基于量子點(diǎn)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，單光子源和應(yīng)用于量子計(jì)算的量子比特的構(gòu)建等方面的研究也正在進(jìn)行中。
與半導(dǎo)體超晶格和量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制備相比，高度有序的半導(dǎo)體量子線的制備技術(shù)難度較大。中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組，在繼利用MBE技術(shù)和SK生長(zhǎng)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(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對(duì)準(zhǔn)（垂直或斜對(duì)準(zhǔn)）的物理起因和生長(zhǎng)控制進(jìn)行了研究，取得了較大進(jìn)展。
王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的喬治亞理工大學(xué)的材料科學(xué)與工程系和化學(xué)與生物化學(xué)系的研究小組，基于無催化劑、控制生長(zhǎng)條件的氧化物粉末的熱蒸發(fā)技術(shù)，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導(dǎo)體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對(duì)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(gòu)均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯(cuò)；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)毫米。這種半導(dǎo)體氧化物納米帶是一個(gè)理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運(yùn)現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學(xué)李述湯教授和瑞典隆德大學(xué)固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導(dǎo)體量子線超晶格結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制各方面也取得了重要進(jìn)展。
低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制備的方法很多，主要有：微結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和精細(xì)加工工藝相結(jié)合的方法，應(yīng)變自組裝量子線、量子點(diǎn)材料生長(zhǎng)技術(shù)，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長(zhǎng)技術(shù)，單原子操縱和加工技術(shù)，納米結(jié)構(gòu)的輻照制備技術(shù)，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(xué)方法制備量子點(diǎn)和量子線的技術(shù)等。目前發(fā)展的主要趨勢(shì)是尋找原子級(jí)無損傷加工方法和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變自組裝可控生長(zhǎng)技術(shù)，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結(jié)構(gòu)。
2.5寬帶隙半導(dǎo)體材料
寬帶隙半導(dǎo)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(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)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(guó)防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍(lán)、綠光發(fā)光二極管（LED）和紫、藍(lán)、綠光激光器（LD）以及紫外探測(cè)器等應(yīng)用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(lán)綠光發(fā)光材料的研究熱點(diǎn)。目前，GaN基藍(lán)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(dá)140GHz，fT=67GHz，跨導(dǎo)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(cè)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(xué)方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動(dòng)藍(lán)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?yàn)樗鼈冊(cè)陂L(zhǎng)波長(zhǎng)光通信用高T0光源和太陽(yáng)能電池等方面顯示了重要應(yīng)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(jìn)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(lán)綠光LED業(yè)已上市，并參于與以藍(lán)寶石為襯低的GaN基發(fā)光器件的竟?fàn)?。其他SiC相關(guān)高溫器件的研制也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價(jià)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(guó)3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點(diǎn)而得到迅速發(fā)展。1991年3M公司利用MBE技術(shù)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(dǎo)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(shí)，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發(fā)展和應(yīng)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(xué)配比導(dǎo)致的點(diǎn)缺陷密度和進(jìn)一步降低失配位錯(cuò)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(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料往往也是典型的大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，所謂大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對(duì)稱性等物理參數(shù)有較大差異的材料體系，如GaN／藍(lán)寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發(fā)界面處大量位錯(cuò)和缺陷的產(chǎn)生，極大地影響著微結(jié)構(gòu)材料的光電性能及其器件應(yīng)用。如何避免和消除這一負(fù)面影響，是目前材料制備中的一個(gè)迫切要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。這個(gè)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(yīng)用領(lǐng)域。
目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍(lán)光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導(dǎo)體材料仍處在實(shí)驗(yàn)室研制階段，不少影響這類材料發(fā)展的關(guān)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(zhǎng)與N型摻雜，II－VI族材料的退化機(jī)理等仍是制約這些材料實(shí)用化的關(guān)鍵問題，國(guó)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(gòu)材料，介電常數(shù)周期的被調(diào)制在與工作波長(zhǎng)相比擬的尺度，來自結(jié)構(gòu)單元的散射波的多重干涉形成一個(gè)光子帶隙，與半導(dǎo)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(gòu)中光波的傳播，相應(yīng)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(huì)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(gè)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(jìn)展，但三維光子晶體的研究，仍是一個(gè)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(jìn)展。
4量子比特構(gòu)建與材料
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越?。╪m尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術(shù)限制，而無法滿足人類對(duì)更大信息量的需求。為此，發(fā)展基于全新原理和結(jié)構(gòu)的功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)是21世紀(jì)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(jì)算機(jī)是應(yīng)用量子力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有更快的運(yùn)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(jì)算機(jī)理想極限。實(shí)現(xiàn)量子比特構(gòu)造和量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個(gè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)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(jìn)行信息編碼，通過外加電場(chǎng)控制核自旋間相互作用實(shí)現(xiàn)其邏輯運(yùn)算，自旋測(cè)量是由自旋極化電子電流來完成，計(jì)算機(jī)要工作在mK的低溫下。
這種量子計(jì)算機(jī)的最終實(shí)現(xiàn)依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術(shù)的發(fā)展。除此之外，為了避免雜質(zhì)對(duì)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(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的關(guān)鍵。量子態(tài)在傳輸，處理和存儲(chǔ)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(jì)算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計(jì)算機(jī)走向?qū)嵱没八匦杩朔碾y題。
5發(fā)展我國(guó)半導(dǎo)體材料的幾點(diǎn)建議
鑒于我國(guó)目前的工業(yè)基礎(chǔ)，國(guó)力和半導(dǎo)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(shù)的主導(dǎo)地位
至少到本世紀(jì)中葉都不會(huì)改變，至今國(guó)內(nèi)各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進(jìn)口。目前國(guó)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(guó)家集中人力和財(cái)力，首先開展8英寸硅單晶實(shí)用化和6英寸硅外延片研究開發(fā)，在“十五”的后期，爭(zhēng)取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國(guó)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(guó)應(yīng)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(yīng)及時(shí)布點(diǎn)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(xué)試劑等也必需同時(shí)給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國(guó)微電子技術(shù)的落后局面，進(jìn)入世界發(fā)達(dá)國(guó)家之林。
5.2GaAs及其有關(guān)化合物半導(dǎo)體單晶材料發(fā)展建議
GaAs、InP等單晶材料同國(guó)外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設(shè)備落后，沒有形成生產(chǎn)能力。相信在國(guó)家各部委的統(tǒng)一組織、領(lǐng)導(dǎo)下，并爭(zhēng)取企業(yè)介入，建立我國(guó)自己的研究、開發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長(zhǎng)，分工協(xié)作，到2010年趕上世界先進(jìn)水平是可能的。要達(dá)到上述目的，到“十五”末應(yīng)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(guó)不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術(shù)。到2010年，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國(guó)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(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的建議
（1）超晶格、量子阱材料從目前我國(guó)國(guó)力和我們已有的基礎(chǔ)出發(fā)，應(yīng)以三基色（超高亮度紅、綠和藍(lán)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(qiáng)MBE和MOCVD兩個(gè)基地的建設(shè)，引進(jìn)必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設(shè)備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍(lán)綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實(shí)用化研究是當(dāng)務(wù)之急，爭(zhēng)取在“十五”末，能滿足國(guó)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(gòu)材料的生產(chǎn)能力。達(dá)到本世紀(jì)初的國(guó)際水平。
寬帶隙高溫半導(dǎo)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(yīng)擇優(yōu)布點(diǎn)，分別做好研究與開發(fā)工作。
（2）一維和零維半導(dǎo)體材料的發(fā)展設(shè)想?；诘途S半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預(yù)研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術(shù)新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和納米加工技術(shù)的進(jìn)步，而納米結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量又很大程度上取決于生長(zhǎng)和制備技術(shù)的水平。因而，集中人力、物力建設(shè)我國(guó)自己的納米科學(xué)與技術(shù)研究發(fā)展中心就成為了成敗的關(guān)鍵。具體目標(biāo)是，“十五”末，在半導(dǎo)體量子線、量子點(diǎn)材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)集成等若干個(gè)重要研究方向接近當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平；2010年在有實(shí)用化前景的量子點(diǎn)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(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并在國(guó)際該領(lǐng)域占有一席之地?？梢灶A(yù)料，它的實(shí)施必將極大地增強(qiáng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和國(guó)防實(shí)力。
一、投資持續(xù)加快，新增固定資產(chǎn)增長(zhǎng)明顯
1-2月，全行業(yè)500萬元以上項(xiàng)目完成投資616.5億元，同比增長(zhǎng)71.1%，增速高于去年同期53.5個(gè)百分點(diǎn)，高于同期工業(yè)投資增速46.4個(gè)百分點(diǎn)。前兩個(gè)月新增固定資產(chǎn)273.7億元，同比增長(zhǎng)48.1%。
二、新開工項(xiàng)目出現(xiàn)下滑，計(jì)算機(jī)、電子元器件降幅較大
1-2月，全行業(yè)新開工項(xiàng)目379個(gè)，同比下降6.2%，其中新開工項(xiàng)目下滑較多的領(lǐng)域主要有計(jì)算機(jī)、電子器件和元件行業(yè)，分別下降33%、26%和10%。全行業(yè)新開工項(xiàng)目計(jì)劃投資額355.7億元，同比下降52.5%，僅為去年同期規(guī)模的一半。
三、各行業(yè)投資均呈較快增長(zhǎng)，光電器件成為投資熱點(diǎn)
1-2月，電子信息制造業(yè)十一個(gè)行業(yè)投資均保持35%以上的增速，其中通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)、電子器件和信息機(jī)電等行業(yè)投資增速較快。通信設(shè)備制造業(yè)完成投資31.1億元，同比增長(zhǎng)56%，增速比去年同期高38個(gè)百分點(diǎn);計(jì)算機(jī)行業(yè)完成投資62.2億元，同比增長(zhǎng)75.2%，增速比去年同期高3.2個(gè)百分點(diǎn);電子器件行業(yè)完成投資185.5億元，同比增長(zhǎng)85.1%，比去年同期高75.5個(gè)百分點(diǎn);電子信息機(jī)電行業(yè)完成投資128.3億元，同比增長(zhǎng)124.7%，比去年同期高104.7個(gè)百分點(diǎn)。
值得注意的是，由于國(guó)內(nèi)多條高世代液晶面板生產(chǎn)線開始建設(shè)，LED行業(yè)投資勢(shì)頭迅猛，帶動(dòng)光電子器件行業(yè)投資快速增長(zhǎng)，前2個(gè)月完成投資102.1億元，同比增長(zhǎng)81.4%，占全行業(yè)投資的比重達(dá)16.6%。同時(shí)，計(jì)算機(jī)整機(jī)、半導(dǎo)體分立器件行業(yè)投資增速超過300%，占全行業(yè)的比重分別為4%和5%，也是拉動(dòng)全行業(yè)投資快速增長(zhǎng)的重要力量。
四、各地區(qū)投資均有較大提升，江蘇省發(fā)展一枝獨(dú)秀
1-2月，東部地區(qū)完成投資425億元，同比增長(zhǎng)61%，高于去年同期36.4個(gè)百分點(diǎn)，其中江蘇省完成投資217.8億元，占全國(guó)總投資額的35%，成為電子信息產(chǎn)業(yè)投資最大的區(qū)域。中部地區(qū)完成投資135.5億元，同比增長(zhǎng)91.8%，高于去年同期74.1個(gè)百分點(diǎn)，其中安徽、河南、山西投資增速均超過100%。西部地區(qū)完成投資56億元，同比增長(zhǎng)114.5%，扭轉(zhuǎn)去年以來增速持續(xù)下降的局面，其中四川、重慶、云南投資增速超過100%。
五、內(nèi)資企業(yè)投資高速增長(zhǎng)，港澳臺(tái)及外資企業(yè)增速回升
摘要：半導(dǎo)體量子阱材料的發(fā)展，極大地拓寬了光電材料的范圍，而量子阱材料本身也被廣泛應(yīng)用于制作各種光電器件。本文首先介紹了量子阱的基本原理，然后重點(diǎn)介紹了量子阱器件的結(jié)構(gòu)，最后總結(jié)了量子阱的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。 關(guān)鍵詞：量子阱；器件；紅外探測(cè)器；激光器； 1 引言 量子阱器件,即指采用量子阱材料作為有源區(qū)的光電子器件,材料生長(zhǎng)一般是采用mocvd外廷技術(shù)。這種器件的特點(diǎn)就在于它的量子阱有源區(qū)具有準(zhǔn)二維特性和量子尺寸效應(yīng)。二維電子空穴的態(tài)密度是臺(tái)階狀分布,量子尺寸效應(yīng)決定了電子空穴不再連續(xù)分布而是集中占據(jù)著量子化第一子能級(jí),增益譜半寬大為降低、且價(jià)帶上輕重空穴的簡(jiǎn)并被解除,價(jià)帶間的吸收降低。 2 量子阱器件基本原理 2.1 量子阱基本原理[1]
半導(dǎo)體超晶格是指由交替生長(zhǎng)兩種半導(dǎo)體材料薄層組成的一維周期性結(jié)構(gòu).以gaas／alas半導(dǎo)體超晶格的結(jié)構(gòu)為例:在半絕緣gaas襯底上沿[001]方向外延生長(zhǎng)500nm左右的gaas薄層,而交替生長(zhǎng)厚度為幾埃至幾百埃的alas薄層。這兩者共同構(gòu)成了一個(gè)多層薄膜結(jié)構(gòu)。gaas的晶格常數(shù)為0.56351nm,alas的晶格常數(shù)為0.56622nm。由于alas的禁帶寬度比gaas的大,alas層中的電子和空穴將進(jìn)入兩邊的gaas層，“落入”gaas材料的導(dǎo)帶底,只要gaas層不是太薄,電子將被約束在導(dǎo)帶底部,且被阱壁不斷反射。換句話說,由于gaas的禁帶寬度小于alas的禁帶寬度,只要gaas層厚度小到量子尺度,那么就如同一口阱在“吸引”著載流子,無論處在其中的載流子的運(yùn)動(dòng)路徑怎樣,都必須越過一個(gè)勢(shì)壘,由于gaas層厚度為量子尺度,我們將這種勢(shì)阱稱為量子阱.
當(dāng)gaas和alas沿z方向交替生長(zhǎng)時(shí),圖2描繪了超晶格多層薄膜結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的的周期勢(shì)場(chǎng)。其中a表示alas薄層厚度(勢(shì)壘寬度),b表示薄層厚度(勢(shì)阱寬度)。如果勢(shì)壘的寬度較大,使得兩個(gè)相鄰勢(shì)阱中的電子波函數(shù)互不重疊,那么就此形成的量子阱將是相互獨(dú)立的,這就是多量子阱。多量子阱的光學(xué)性質(zhì)與單量子阱的相同,而強(qiáng)度則是單量子阱的線性迭加。另一方面,如果兩個(gè)相鄰的量子阱間距很近,那么其中的電子態(tài)將發(fā)生耦合,能級(jí)將分裂成帶,并稱之為子能帶。而兩個(gè)相鄰的子能帶 之間又存在能隙,稱為子能隙。通過人為控制這些子能隙的寬度與子能帶,使得半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出多種多樣的宏觀性質(zhì)。 2.2 量子阱器件
量子阱器件的基本結(jié)構(gòu)是兩塊n型gaas附于兩端,而中間有一個(gè)薄層,這個(gè)薄層的結(jié)構(gòu)由algaas-gaas-algaas的復(fù)合形式組成,。 在未加偏壓時(shí),各個(gè)區(qū)域的勢(shì)能與中間的gaas對(duì)應(yīng)的區(qū)域形成了一個(gè)勢(shì)阱,故稱為量子阱。電子的運(yùn)動(dòng)路徑是從左邊的n型區(qū)(發(fā)射極)進(jìn)入右邊的n型區(qū)(集電極),中間必須通過algaas層進(jìn)入量子阱,然后再穿透另一層algaas。 量子阱器件雖然是新近研制成功的器件,但已在很多領(lǐng)域獲得了應(yīng)用,而且隨著制作水平的提高,它將獲得更加廣泛的應(yīng)用。 3 量子阱器件的應(yīng)用 3.1 量子阱紅外探測(cè)器
量子阱紅外探測(cè)器(qwip)是20世紀(jì)90年展起來的高新技術(shù)。與其他紅外技術(shù)相比,qwip具有響應(yīng)速度快、探測(cè)率與hgcdte探測(cè)器相近、探測(cè)波長(zhǎng)可通過量子阱參數(shù)加以調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。而且,利用mbe和mocvd等先進(jìn)工藝可生長(zhǎng)出高品質(zhì)、大面積和均勻的量子阱材料,容易做出大面積的探測(cè)器陣列。正因?yàn)槿绱?量子阱光探測(cè)器,尤其是紅外探測(cè)器受到了廣泛關(guān)注。
qwip是利用摻雜量子阱的導(dǎo)帶中形成的子帶間躍遷,并將從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)的電子通過電場(chǎng)作用形成光電流這一物理過程,實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外輻射的探測(cè)。通過調(diào)節(jié)阱寬、壘寬以及algaas中al組分含量等參數(shù),使量子阱子帶輸運(yùn)的激發(fā)態(tài)被設(shè)計(jì)在阱內(nèi)(束縛態(tài))、阱外(連續(xù)態(tài))或者在勢(shì)壘的邊緣或者稍低于勢(shì)壘頂(準(zhǔn)束縛態(tài)),以便滿足不同的探測(cè)需要,獲得最優(yōu)化的探測(cè)靈敏度。因此,量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又稱為“能帶工程”是qwip最關(guān)鍵的一步。另外,由于探測(cè)器只吸收輻射垂直與阱層面的分量,因此光耦合也是qwip的重要組成部分。 3.2 量子阱在光通訊方面的應(yīng)用
光通信是現(xiàn)代通信的主要方式,光通訊的發(fā)展需要寬帶寬、高速、大容量的光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī),這些儀器不僅要求其體積小,質(zhì)量高,同時(shí)又要求它成本低,能夠大規(guī)模應(yīng)用,為了達(dá)到這些目的,光子集成電路(pic’s)和光電子集成電路(oeic’s)被開發(fā)出來。但是,通常光子集成電路和光電子集成電路是采用多次光刻,光柵技術(shù)、干濕法腐蝕技術(shù)、多次選擇外延生長(zhǎng)mocvd或mbe等復(fù)雜工藝,從而可能使銜接部位晶體質(zhì)量欠佳和器件間的耦合效率低下,影響了有源器件性能和可靠性。
近20年來發(fā)展了許多選擇量子阱無序或稱之為量子阱混合(qwi)的新方法,目的在于量子阱一次生長(zhǎng)(mocvd-qw)后,獲得在同一外延晶片上橫向不同區(qū)域具有不同的帶隙、光吸收率、光折射率和載流子遷移率,達(dá)到橫向光子集成和光電子集成的目的,這樣就避免了多次生長(zhǎng)和反復(fù)光刻的復(fù)雜工藝。 4 結(jié)語(yǔ) 半導(dǎo)體超晶格和量子阱材料是光電材料的最新發(fā)展,量子阱器件的優(yōu)越性使得它活躍在各種生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。目前,在光通信、激光器研制、紅外探測(cè)儀器等方面,量子阱器件都得到了廣泛的應(yīng)用。隨之科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,我們相信,半導(dǎo)體超晶格和量子阱材料必然在更多領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)特的作用。 參考文獻(xiàn)： [1]陸衛(wèi)，李寧，甄紅樓等．紅外光電子學(xué)中的新族—量子阱紅外探測(cè)器［j］．中國(guó)科學(xué)，2009，39(3)：336～343． 杜鵬，周立慶．面向工程化應(yīng)用的量子阱紅外探測(cè)材料制備研究［j］．激光與紅外，2010，40(11)：1215～1219． 畢艷軍，郭志友，于敏麗等. p型gamnas/algaas量子阱紅外探測(cè)器研究［j］．激光與紅外，2008，38(8)：784～786． 譚智勇，郭旭光，曹俊誠(chéng)等. 基于太赫茲量子阱探測(cè)器的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器發(fā)射譜研究［j］．物理學(xué)報(bào)，2010，59(4)：1000～3290． ：lunwenwang.co
而近年來全國(guó)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生較大的變化，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的電類課程設(shè)置，逐漸被光學(xué)類課程所取代，影響了各高校專業(yè)培養(yǎng)方案的制定。本文通過總結(jié)國(guó)內(nèi)各高校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)基礎(chǔ)與核心課程設(shè)置的經(jīng)驗(yàn)，分析本科專業(yè)對(duì)應(yīng)于電子科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科所屬的各二級(jí)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)于將集成電路設(shè)計(jì)設(shè)置為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程，來完善電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系設(shè)置進(jìn)行了探討。
1 全國(guó)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)
全國(guó)工程教育認(rèn)證是我國(guó)高等教育為了融入世界得到全球高等教育界的認(rèn)可而開展的認(rèn)證，自2007年開始試點(diǎn)實(shí)行。近些年來，全國(guó)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為各高校制定專業(yè)培養(yǎng)方案的導(dǎo)向標(biāo)準(zhǔn)。
2011年之前的標(biāo)準(zhǔn) 2011年之前的全國(guó)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)指出，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的本科生運(yùn)用所掌握的理論知識(shí)和技能，從事信號(hào)與信息處理的新型電子、光電子和光子材料及其元器件，以及集成電路、集成電子系統(tǒng)和光電子系統(tǒng)，包括信息光電子技術(shù)和光子器件、微納電子器件、微光機(jī)電系統(tǒng)、大規(guī)模集成電路和電子信息系統(tǒng)芯片的理論、應(yīng)用及設(shè)計(jì)和制造等方面的科研、技術(shù)開發(fā)、教育和管理等工作。
可以看出，2011年之前的全國(guó)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的知識(shí)要求非常強(qiáng)調(diào)電學(xué)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，特別是集成電路和集成電子系統(tǒng)方面的知識(shí)，光學(xué)方面的知識(shí)只是作為輔助。
2012年之后的標(biāo)準(zhǔn) 2012年之后的全國(guó)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)指出，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)包括電動(dòng)力學(xué)、固體物理、微波與光導(dǎo)波技術(shù)、激光原理與技術(shù)等知識(shí)領(lǐng)域的核心內(nèi)容。2012年之后的全國(guó)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的知識(shí)要求較以前有了大幅度的簡(jiǎn)化，同時(shí)也可以看出，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)更多地強(qiáng)調(diào)了光學(xué)方面的知識(shí)，而減少了電學(xué)方面的知識(shí)要求，對(duì)于集成電路方面的知識(shí)沒有做具體要求，只是提出各高?？梢愿鶕?jù)自己的特長(zhǎng)設(shè)置特色課程。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)似乎更適合光電子科學(xué)與技術(shù)這樣的本科專業(yè)，當(dāng)然目前國(guó)內(nèi)并沒有光電子科學(xué)與技術(shù)這樣的本科專業(yè)，卻有光信息科學(xué)與技術(shù)和光電信息科學(xué)與工程這樣的本科專業(yè)，也就是說此要求跟光學(xué)專業(yè)的要求是比較接近且有所交叉重疊的。
2 國(guó)內(nèi)高校本科專業(yè)課程設(shè)置
《電子科學(xué)與技術(shù)分教指委本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》指出，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)涵蓋的學(xué)科范圍廣闊，以數(shù)學(xué)和近代物理為基礎(chǔ)，研究電磁波、荷電粒子及中性粒子的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)、變換及其不同媒質(zhì)相互作用的現(xiàn)象、效應(yīng)、機(jī)理和規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上研究制造電子、光電子各種材料及元器件，以及集成電路、集成電子系統(tǒng)和光電子系統(tǒng)，并研究開發(fā)相應(yīng)的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)。
清華大學(xué)的電子科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)課程設(shè)置與2012年之后的全國(guó)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)更為接近，在對(duì)電學(xué)方面的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行要求的同時(shí)更加強(qiáng)調(diào)了光學(xué)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，而復(fù)旦、同濟(jì)、上海交大、浙江大學(xué)、東南大學(xué)等眾多高校的電子科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)更多地強(qiáng)調(diào)了集成電路、集成電子系統(tǒng)方面的知識(shí)，多數(shù)都把集成電路方面的知識(shí)作為必修的考試科目專業(yè)知識(shí)。
3 學(xué)科知識(shí)體系的對(duì)應(yīng)關(guān)系
《授予博士、碩士學(xué)位和培養(yǎng)研究生的學(xué)科、專業(yè)目錄》中指出，工科類一級(jí)學(xué)科電子科學(xué)與技術(shù)，涵蓋了物理電子學(xué)、電路與系統(tǒng)、微電子與固體電子學(xué)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)等4個(gè)二級(jí)學(xué)科。電子科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)應(yīng)該涵蓋一級(jí)學(xué)科所屬各二級(jí)學(xué)科物理電子學(xué)、電路與系統(tǒng)、微電子與固體電子學(xué)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，也就是說本科專業(yè)應(yīng)該涵蓋固體物理或半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體器件、集成電路、電磁場(chǎng)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)是比較合理的，這樣既有利于本科學(xué)生將來在本學(xué)科領(lǐng)域的繼續(xù)深造學(xué)習(xí)，也有利于適應(yīng)社會(huì)需要而就業(yè)。
4 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，集成電路設(shè)計(jì)這樣的課程應(yīng)該作為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程進(jìn)行設(shè)置，有條件的高校還可以分別設(shè)置模擬集成電路設(shè)計(jì)和數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)這樣的課程作為專業(yè)核心課程。這樣既能滿足本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范的要求，也能滿足為后續(xù)碩士博士研究生階段的繼續(xù)深造打下基礎(chǔ)，還能適應(yīng)國(guó)家大力發(fā)展集成電路設(shè)計(jì)與制造產(chǎn)業(yè)的要求。這樣就需要中國(guó)工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)對(duì)全國(guó)工程教育認(rèn)證的電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)做出修改，不再過多強(qiáng)調(diào)光學(xué)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，而是更多地要求集成電路與集成電子系統(tǒng)方面的知識(shí)，這樣能引導(dǎo)國(guó)內(nèi)各高?；貧w到加強(qiáng)電學(xué)方面的知識(shí)教育的道路上來。
在我國(guó)大力支持集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大環(huán)境下，本文對(duì)于將集成電路設(shè)計(jì)設(shè)置為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程，來完善電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系設(shè)置進(jìn)行了探討。本文探討的內(nèi)容希望能夠?yàn)槿珖?guó)工程教育認(rèn)證電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定提供參考，也可以為兄弟院校相關(guān)專業(yè)的課程設(shè)置提供借鑒。
參考文獻(xiàn)
[1]中國(guó)工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì).工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（試行）[S].2011.
[2]中國(guó)工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì).工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[S].2012.
【論文摘要】：討論納米科學(xué)和技術(shù)在新時(shí)期里發(fā)展所面對(duì)的困難和挑戰(zhàn)。一系列新的方法將被討論。我們還將討論倘若這些困難能夠被克服我們可能會(huì)有的收獲。
納米科學(xué)和技術(shù)所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結(jié)構(gòu)的制備和表征。在這個(gè)領(lǐng)域的研究舉世矚目。無論是從基礎(chǔ)研究（探索基于非經(jīng)典效應(yīng)的新物理現(xiàn)象）的觀念出發(fā)，還是從應(yīng)用（受因結(jié)構(gòu)減少空間維度而帶來的優(yōu)點(diǎn)以及因應(yīng)半導(dǎo)體器件特征尺寸持續(xù)減小而需要這兩個(gè)方面的因素驅(qū)使）的角度來看，納米結(jié)構(gòu)都是令人極其感興趣的。
1. 納米結(jié)構(gòu)的制備
有兩種制備納米結(jié)構(gòu)的基本方法：build-up和 build-down。所謂build-up方法就是將已預(yù)制好的納米部件（納米團(tuán)簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down 方法就是將納米結(jié)構(gòu)直接地淀積在襯底上。前一種方法包含有三個(gè)基本步驟：1）納米部件的制備；2）納米部件的整理和篩選；3）納米部件組裝成器件（這可以包括不同的步驟如固定在襯底及電接觸的淀積等等）；“Build-down”方法提供了杰出的材料純度控制，而且它的制造機(jī)理與現(xiàn)代工業(yè)裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術(shù)如分子束外延(MBE)、化學(xué)氣相淀積（MOVCD）等來進(jìn)行器件制造的傳統(tǒng)方法?！癇uild-down”方法的缺點(diǎn)是較高的成本。
很清楚納米科學(xué)的首次浪潮發(fā)生在過去的十年中。在這段時(shí)期，研究者已經(jīng)證明了納米結(jié)構(gòu)的許多嶄新的性質(zhì)。學(xué)者們更進(jìn)一步征明可以用“build-down”或者“build-up” 方法來進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)制造。這些成果向我們展示，如果納米結(jié)構(gòu)能夠大量且廉價(jià)地被制造出來，我們必將收獲更多的成果。
2. 納米結(jié)構(gòu)尺寸、成份、位序以及密度的控制
為了充分發(fā)揮量子點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)之處，我們必須能夠控制量子點(diǎn)的位置、大小、成份已及密度。其中一個(gè)可行的方法是將量子點(diǎn)生長(zhǎng)在已經(jīng)預(yù)刻有圖形的襯底上。由于量子點(diǎn)的橫向尺寸要處在10-20納米范圍（或者更小才能避免高激發(fā)態(tài)子能級(jí)效應(yīng)，如對(duì)于GaN材料量子點(diǎn)的橫向尺寸要小于8納米）才能實(shí)現(xiàn)室溫工作的光電子器件，在襯底上刻蝕如此小的圖形是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。對(duì)于單電子晶體管來說，如果它們能在室溫下工作，則要求量子點(diǎn)的直徑要小至1-5納米的范圍。這些微小尺度要求已超過了傳統(tǒng)光刻所能達(dá)到的精度極限。有幾項(xiàng)技術(shù)可望用于如此的襯底圖形制作。
⑴ 電子束光刻通?？梢杂脕碇谱魈卣鞒叨刃≈?0納米的圖形。如果特殊薄膜能夠用作襯底來最小化電子散射問題，那特征尺寸小至2納米的圖形可以制作出來。
⑵ 聚焦離子束光刻是一種機(jī)制上類似于電子束光刻的技術(shù)。
⑶ 掃描微探針術(shù)可以用來劃刻或者氧化襯底表面，甚至可以用來操縱單個(gè)原子和分子。最常用的方法是基于材料在探針作用下引入的高度局域化增強(qiáng)的氧化機(jī)制的。
⑷ 多孔膜作為淀積掩版的技術(shù)。多孔膜能用多種光刻術(shù)再加腐蝕來制備，它也可以用簡(jiǎn)單的陽(yáng)極氧化方法來制備。
⑸ 倍塞（diblock）共聚物圖形制作術(shù)是一種基于不同聚合物的混合物能夠產(chǎn)生可控及可重復(fù)的相分離機(jī)制的技術(shù)。
⑹ 與倍塞共聚物圖形制作術(shù)緊密相關(guān)的一項(xiàng)技術(shù)是納米球珠光刻術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)的基本思路是將在旋轉(zhuǎn)涂敷的球珠膜中形成的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。
⑺ 將圖形從母體版轉(zhuǎn)移到襯底上的其他光刻技術(shù)。幾種所謂“軟光刻“方法， 比如復(fù)制鑄模法、微接觸印刷法、溶劑輔助鑄模法以及用硬模版浮雕法等已被探索開發(fā)。
3. 納米制造所面對(duì)的困難和挑戰(zhàn)
隨著器件持續(xù)微型化的趨勢(shì)的發(fā)展，普通光刻技術(shù)的精度將很快達(dá)到它的由光的衍射定律以及材料物理性質(zhì)所確定的基本物理極限。通過采用深紫外光和相移版，以及修正光學(xué)近鄰干擾效應(yīng)等措施，特征尺寸小至80 nm的圖形已能用普通光刻技術(shù)制備出。然而不大可能用普通光刻技術(shù)再進(jìn)一步顯著縮小尺寸。采用X光和EUV 的光刻技術(shù)仍在研發(fā)之中，可是發(fā)展這些技術(shù)遇到在光刻膠以及模版制備上的諸多困難。目前來看，雖然也有一些具挑戰(zhàn)性的問題需要解決，特別是需要克服電子束散射以及相關(guān)聯(lián)的近鄰干擾效應(yīng)問題，但投影式電子束光刻似乎是有希望的一種技術(shù)。掃描微探針技術(shù)提供了能分辨單個(gè)原子或分子的無可匹敵的精度，可是此項(xiàng)技術(shù)卻有固有的慢速度，目前還不清楚通過給它加裝陣列懸臂樑能否使它達(dá)到可以接受的刻寫速度。轉(zhuǎn)貼于
對(duì)一個(gè)理想的納米刻寫技術(shù)而言，它的運(yùn)行和維修成本應(yīng)該低，它應(yīng)具備可靠地制備尺寸小但密度高的納米結(jié)構(gòu)的能力，還應(yīng)有在非平面上刻制圖形的能力以及制備三維結(jié)構(gòu)的功能。此外，它也應(yīng)能夠做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而時(shí)至今日，仍然沒有任何一項(xiàng)能制作亞100 nm圖形的單項(xiàng)技術(shù)能同時(shí)滿足上述所有條件?，F(xiàn)在還難說是否上述技術(shù)中的一種或者它們的某種組合會(huì)取代傳統(tǒng)的光刻技術(shù)。究竟是現(xiàn)有刻寫技術(shù)的組合還是一種全新的技術(shù)會(huì)成為最終的納米刻寫技術(shù)還有待于觀察。
4. 展望
目前，已有不少納米尺度圖形刻制技術(shù)，它們僅有的短處要么是刻寫速度慢要么是刻寫復(fù)雜圖形的能力有限。這些技術(shù)可以用來制造簡(jiǎn)單的納米原型器件，這將能使我們研究這些器件的性質(zhì)以及探討優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)以便進(jìn)一步地改善它們的性能。必須發(fā)展新的表征技術(shù)，這不單是為了器件表征，也是為了能使我們擁有一個(gè)對(duì)器件制造過程中的必要工藝如版對(duì)準(zhǔn)的能進(jìn)行監(jiān)控的手段。隨著器件尺度的持續(xù)縮小，對(duì)制造技術(shù)的要求會(huì)更苛刻，理所當(dāng)然地對(duì)評(píng)判方法的要求也變得更嚴(yán)格。隨著光學(xué)有源區(qū)尺寸的縮小，嶄新的光學(xué)現(xiàn)象很有可能被發(fā)現(xiàn)，這可能導(dǎo)致發(fā)明新的光電子器件。然而，不象電子工業(yè)發(fā)展那樣需要尋找MOS晶體管的替代品，光電子工業(yè)并沒有如此的立時(shí)尖銳問題需要迫切解決。納米探測(cè)器和納米傳感器是一個(gè)全新的領(lǐng)域，目前還難以預(yù)測(cè)它的進(jìn)一步發(fā)展趨勢(shì)。然而，基于對(duì)嶄新診斷技術(shù)的預(yù)期需要，我們有理由相信這將是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域?？偫ㄆ饋?，在所有三個(gè)主要領(lǐng)域里應(yīng)用納米結(jié)構(gòu)所要求的共同點(diǎn)是對(duì)納米結(jié)構(gòu)的尺寸、材料純度、位序以及成份的精確控制。一旦這個(gè)問題能夠解決，就會(huì)有大量的嶄新器件誕生和被研究。
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