光電子材料導(dǎo)論緒論課件

1、光電子材料與應(yīng)用導(dǎo)論光電子材料與應(yīng)用導(dǎo)論許立新許立新一、一、 緒論緒論v信息的發(fā)展以多媒體化和數(shù)字化為主要特征信息的發(fā)展以多媒體化和數(shù)字化為主要特征多媒體：數(shù)據(jù)、文字、聲音和圖像多媒體：數(shù)據(jù)、文字、聲音和圖像一頁一頁A4A4文件約為文件約為2 KB2 KB（千字節(jié)）（千字節(jié)）一張一張A4A4黑白照片約為黑白照片約為40 KB40 KB；一張一張A4A4彩色照片約為彩色照片約為5 MB5 MB；放放1 1分鐘分鐘VHSVHS（Video Home System）質(zhì)量的全活動圖像質(zhì)量的全活動圖像（Full Motion Video FMVFull Motion Video FMV）約）約 10 M

2、B10 MB1 1分鐘廣播級的分鐘廣播級的FMVFMV約為約為 40 MB40 MB。處理、傳輸和存儲達(dá)太位（處理、傳輸和存儲達(dá)太位（1 Tb= 101 Tb= 101212 bits bits）的超高容量信息）的超高容量信息和達(dá)每秒太位（和達(dá)每秒太位（Tb/sTb/s）的超高速信息流及高頻）的超高速信息流及高頻(THz)(THz)響應(yīng)，即響應(yīng)，即 3T3Tv信息技術(shù)的發(fā)展趨勢信息技術(shù)的發(fā)展趨勢信息技術(shù)的主要方面：獲取、傳輸、存儲、顯示和處理電子信息技術(shù)信息技術(shù)的主要支撐技術(shù)：以電子學(xué)和微電子學(xué)為基礎(chǔ)，信息的載體是電子；通信從長波到微波，存儲從磁芯到半導(dǎo)體集成，運算使用的器件從電子管發(fā)展到以大

3、規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的電子計算機等。電子信息技術(shù)速率瓶頸信息的載體必然由電子發(fā)展到光子：光子的速度比光子的速度快得多；光的頻率比無線電（微波）的頻率高得多；目前，信息的探測、傳輸、存儲、顯示、運算和處理已由光子和電子共同參與來完成產(chǎn)生光電子學(xué)（optoelectronics）技術(shù)。 信息處理技術(shù)和材料信息處理技術(shù)和材料 信息傳遞技術(shù)和材料信息傳遞技術(shù)和材料 信息存儲技術(shù)和材料信息存儲技術(shù)和材料 信息顯示技術(shù)和材料信息顯示技術(shù)和材料 信息獲取技術(shù)和材料信息獲取技術(shù)和材料v信息技術(shù)發(fā)展的幾個主要方面及相關(guān)材料信息技術(shù)發(fā)展的幾個主要方面及相關(guān)材料信息技術(shù)的發(fā)展在很大程度上依靠材料和元器件的發(fā)展信息材料

4、是信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)；信息處理技術(shù)和材料信息處理技術(shù)和材料v以大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的電子計算機技術(shù)仍是信息處理的主要技術(shù) 半導(dǎo)體動態(tài)隨機存儲器半導(dǎo)體動態(tài)隨機存儲器時間（年）時間（年）19981999200020052014容量（容量（GB）光刻線寬（光刻線寬（ m）硅單晶直徑（硅單晶直徑（mm）缺陷尺寸（缺陷尺寸（ m）表面粗糙度（表面粗糙度（nm）含氧量（原子分?jǐn)?shù)）含氧量（原子分?jǐn)?shù)）0.064 0.1280.3 0.2200 0.12 1 10100.2560.18300 0.05 0.5 1091 40.15350 0.03 0.3 10810 200.1400 0.01 0.2 1

5、072560.010450固態(tài)納米電子器件固態(tài)納米電子器件固態(tài)納米電子器件分為三類，固態(tài)納米電子器件分為三類，即量子點器件（人造原子）、共振隧穿器件即量子點器件（人造原子）、共振隧穿器件以及庫侖阻塞效應(yīng)的單電子器件以及庫侖阻塞效應(yīng)的單電子器件納米電子器件的一個共同特征納米電子器件的一個共同特征: :都有一個尺寸在都有一個尺寸在5 nm 5 nm 100 nm 100 nm 之間之間的由半導(dǎo)體或金屬材料組成的的由半導(dǎo)體或金屬材料組成的“小島小島”，行為類似于行為類似于FETFET（field-effect transistorfield-effect transistor）器件的溝道，器件的溝道

6、，“島島”被勢壘所包圍，以阻止電子進(jìn)入島區(qū)。被勢壘所包圍，以阻止電子進(jìn)入島區(qū)。 1998 1998 年出現(xiàn)了絕緣層上硅材料年出現(xiàn)了絕緣層上硅材料SOISOI（Silicon On Silicon On InsulatorInsulator），它推動微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。），它推動微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。與硅基材料及其器件相比，由于避免了器件與襯與硅基材料及其器件相比，由于避免了器件與襯底間的寄生效應(yīng)，底間的寄生效應(yīng)，SOISOI具有許多優(yōu)點具有許多優(yōu)點: :高的開關(guān)速度、高密度、抗輻射、無閉鎖效應(yīng)高的開關(guān)速度、高密度、抗輻射、無閉鎖效應(yīng) 與與CMOSCMOS技術(shù)相比，技術(shù)相比，SOISOI技

7、術(shù)使芯片的性能提高技術(shù)使芯片的性能提高3535。光信息處理光信息處理當(dāng)計算機浮點運算速度高于當(dāng)計算機浮點運算速度高于100100億次以上時，需要考慮光信息處理億次以上時，需要考慮光信息處理可以充分發(fā)揮并列處理的優(yōu)點，能高速處理信號?？梢猿浞职l(fā)揮并列處理的優(yōu)點，能高速處理信號。以圖像為對象的光信息處理已研究多年。以圖像為對象的光信息處理已研究多年。以全光計算機為目標(biāo)的、用光學(xué)系統(tǒng)完成一維或多維數(shù)據(jù)以全光計算機為目標(biāo)的、用光學(xué)系統(tǒng)完成一維或多維數(shù)據(jù)的數(shù)字計算還處于探索階段。的數(shù)字計算還處于探索階段。研制出高效低功耗的光子器件及相應(yīng)的材料仍然是關(guān)鍵所在。研制出高效低功耗的光子器件及相應(yīng)的材料仍然是關(guān)

8、鍵所在。在并列處理中首先要有面陣的光子集成器件。在并列處理中首先要有面陣的光子集成器件。高密度垂直腔面發(fā)射激光器（高密度垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELVCSEL）的光子集成回路是）的光子集成回路是二維光信息實時處理和圖形識別的關(guān)鍵器件。二維光信息實時處理和圖形識別的關(guān)鍵器件。目前研制出的高密度對稱反射式自電光效應(yīng)（目前研制出的高密度對稱反射式自電光效應(yīng)（SRSRSEEDSEED）無腔面的光雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)集成面陣，可在光功耗極低無腔面的光雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)集成面陣，可在光功耗極低（小于（小于10 fJ/10 fJ/ mm2 2）情況下對光信息進(jìn)行多路和二維處理。）情況下對光信息進(jìn)行多路和二維處理。信息傳遞技

9、術(shù)和材料信息傳遞技術(shù)和材料陸海空立體通信網(wǎng)：移動電話、衛(wèi)星通信、無陸?？樟Ⅲw通信網(wǎng)：移動電話、衛(wèi)星通信、無線通信和光纖通信。線通信和光纖通信。寬待化、個人化、多媒體化的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)寬待化、個人化、多媒體化的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDNISDN）獲得很快發(fā)展。）獲得很快發(fā)展。 把光子作為信息載體，即用光纖通信代替電纜把光子作為信息載體，即用光纖通信代替電纜和微波通信是和微波通信是20 20 世紀(jì)通信技術(shù)的重大進(jìn)步。世紀(jì)通信技術(shù)的重大進(jìn)步。 Fibre Losses: Singlemode fibre Losses of Glasses & Polymer Fibres玻璃及聚合物光纖的損耗信息存儲

10、技術(shù)和材料信息存儲技術(shù)和材料v要求：高存儲密度、高數(shù)據(jù)傳輸率、高存儲壽命、要求：高存儲密度、高數(shù)據(jù)傳輸率、高存儲壽命、高的擦寫次數(shù)以及設(shè)備投資低和信息位低價格。高的擦寫次數(shù)以及設(shè)備投資低和信息位低價格。v計算機系統(tǒng)的存儲方式：隨機內(nèi)存儲、在線外存儲、計算機系統(tǒng)的存儲方式：隨機內(nèi)存儲、在線外存儲、離線外存儲和脫機存儲。離線外存儲和脫機存儲。v內(nèi)存儲器要求集成度高、存取速度快，一直以半導(dǎo)內(nèi)存儲器要求集成度高、存取速度快，一直以半導(dǎo)體動態(tài)隨機存儲器（體動態(tài)隨機存儲器（DRAM）為主。最近發(fā)展的固）為主。最近發(fā)展的固體（閃）存儲器（體（閃）存儲器（flash memory）是不揮發(fā)可擦）是不揮發(fā)可擦寫

11、的存儲器。寫的存儲器。 巨磁電阻效應(yīng)在高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用 磁性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象，所謂磁磁性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象，所謂磁電阻是指在一定磁場下電阻改變的現(xiàn)象，人電阻是指在一定磁場下電阻改變的現(xiàn)象，人們把這種現(xiàn)象稱為磁電阻。所謂巨磁阻就是們把這種現(xiàn)象稱為磁電阻。所謂巨磁阻就是指在一定的磁場下電阻急劇減小，一般減小指在一定的磁場下電阻急劇減小，一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值約高數(shù)值約高1010余倍。余倍。 光存儲光存儲 v光存儲最早的形式是縮微照相：文檔資料長期保存光存儲最早的形式是縮微照相：文檔資料長期保存的主要形式。將文獻(xiàn)攝

12、影，存放于縮微膠片上，縮的主要形式。將文獻(xiàn)攝影，存放于縮微膠片上，縮微膠卷、縮微教膠片、縮微卡片等。微膠卷、縮微教膠片、縮微卡片等。v激光全息：實現(xiàn)三維圖像存儲不能進(jìn)行實時數(shù)據(jù)存激光全息：實現(xiàn)三維圖像存儲不能進(jìn)行實時數(shù)據(jù)存取。取。v光盤技術(shù)：光盤存儲技術(shù)是本世紀(jì)光盤技術(shù)：光盤存儲技術(shù)是本世紀(jì)7070年代開拓出來年代開拓出來的。光盤存儲集成系統(tǒng)中，光盤機和光盤片是核心的。光盤存儲集成系統(tǒng)中，光盤機和光盤片是核心器件。在光盤機中光學(xué)讀、寫頭是關(guān)鍵元件。器件。在光盤機中光學(xué)讀、寫頭是關(guān)鍵元件。 信息顯示技術(shù)和材料信息顯示技術(shù)和材料v用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)將各種形式的信息用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)將各種形式的信息, ,（

13、如文字、數(shù)據(jù)、（如文字、數(shù)據(jù)、圖形、圖象和活動圖象）作用于人的視覺而使人感知圖形、圖象和活動圖象）作用于人的視覺而使人感知的手段為光電顯示技術(shù)。的手段為光電顯示技術(shù)。v顯示器是光電顯示系統(tǒng)中的核心顯示器是光電顯示系統(tǒng)中的核心 平板顯示技術(shù)有較快的發(fā)展，它主要避免了平板顯示技術(shù)有較快的發(fā)展，它主要避免了CRTCRT的龐大的龐大體積。平板顯示技術(shù)主要指液晶顯示技術(shù)（體積。平板顯示技術(shù)主要指液晶顯示技術(shù)（LCDLCD）、）、場致放射顯示技術(shù)（場致放射顯示技術(shù)（FEDFED）、等離子體顯示技術(shù)）、等離子體顯示技術(shù)（PDPPDP）和發(fā)光二極管顯示技術(shù)（）和發(fā)光二極管顯示技術(shù)（LEDLED）等。）等。 獲

14、取信息的技術(shù)和材料獲取信息的技術(shù)和材料v獲取信息主要使用探測器和傳感器。目前光獲取信息主要使用探測器和傳感器。目前光電子學(xué)技術(shù)是或取信息的主要手段電子學(xué)技術(shù)是或取信息的主要手段 光電探測器光電探測器v按光電轉(zhuǎn)換方式，光電探測器可分為光電導(dǎo)型、按光電轉(zhuǎn)換方式，光電探測器可分為光電導(dǎo)型、v光生伏打型（勢壘型）和熱電偶型。光生伏打型（勢壘型）和熱電偶型。v光電轉(zhuǎn)換中根據(jù)探測的光子波長，光電轉(zhuǎn)換中根據(jù)探測的光子波長，v分為狹能隙半導(dǎo)體材料（紅外）和寬能隙半導(dǎo)體材料（可見和紫分為狹能隙半導(dǎo)體材料（紅外）和寬能隙半導(dǎo)體材料（可見和紫外）。外）。v寬能隙材料以寬能隙材料以Si Si、GeGe、和、和GaNG

15、aN、AlNAlN等為主，等為主，v狹能隙半導(dǎo)體材料主要為鉛鹽、碲鎘汞、狹能隙半導(dǎo)體材料主要為鉛鹽、碲鎘汞、SbInSbIn等。等。v近期光電探測器最大的進(jìn)展在兩個方面：近期光電探測器最大的進(jìn)展在兩個方面：(1)(1)用超晶格（量子阱）用超晶格（量子阱）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)v提高了量子效率、相應(yīng)時間和集成度；（提高了量子效率、相應(yīng)時間和集成度；（2 2）制成了探測器列陣，）制成了探測器列陣，v可以用作成像探測。兩者結(jié)合后最典型的例子為可以制成探測可以用作成像探測。兩者結(jié)合后最典型的例子為可以制成探測v靈敏度極高的靈敏度極高的HgCdTeHgCdTe紅外焦平面列陣（紅外焦平面列陣（FPAFPA），），v并成

16、功地應(yīng)用于紅外遙感、成像等。并成功地應(yīng)用于紅外遙感、成像等。2 ps(a)(b)40 GHz40 GHz mode-locked laser傳感器材料傳感器材料v半導(dǎo)體傳感器材料和光纖傳感器材料，半導(dǎo)體傳感器材料和光纖傳感器材料，v在外場（光、熱、電、磁等）作用下半導(dǎo)體的電性在外場（光、熱、電、磁等）作用下半導(dǎo)體的電性能發(fā)生變化，由此獲得外場信息，對壓力敏感的半能發(fā)生變化，由此獲得外場信息，對壓力敏感的半導(dǎo)體，有由于壓力影響產(chǎn)生電阻變化的壓阻半導(dǎo)體導(dǎo)體，有由于壓力影響產(chǎn)生電阻變化的壓阻半導(dǎo)體材料，如材料，如Si Si、GeGe、InSbInSb、GaPGaP等；有靠壓電效應(yīng)的等；有靠壓電效應(yīng)的

17、II IIVIVI和和IIIIIIV V族半導(dǎo)體化合物以及壓電陶瓷（以族半導(dǎo)體化合物以及壓電陶瓷（以BaTiO3BaTiO3為代表）等。對熱敏感的半導(dǎo)體材料可分正為代表）等。對熱敏感的半導(dǎo)體材料可分正溫度系數(shù)（溫度系數(shù)（NTCNTC）和負(fù)溫度系數(shù)（）和負(fù)溫度系數(shù)（PTCPTC）材料。光）材料。光電探測器皆為光敏半導(dǎo)體材料；磁電阻效應(yīng)和霍耳電探測器皆為光敏半導(dǎo)體材料；磁電阻效應(yīng)和霍耳效應(yīng)將磁場強度轉(zhuǎn)換成電信號的為磁敏半導(dǎo)體材料。效應(yīng)將磁場強度轉(zhuǎn)換成電信號的為磁敏半導(dǎo)體材料。v光在光纖中傳輸時，受外場的作用能引起振幅、位光在光纖中傳輸時，受外場的作用能引起振幅、位相、頻率和偏振狀態(tài)的變化。相、頻率

18、和偏振狀態(tài)的變化。v探測器材料探測器材料v按光電轉(zhuǎn)換方式，光電探測器可分為光電導(dǎo)型、光生伏打型（勢壘型）按光電轉(zhuǎn)換方式，光電探測器可分為光電導(dǎo)型、光生伏打型（勢壘型）和熱電偶型。光電轉(zhuǎn)換中根據(jù)探測的光子波長，分為狹能隙半導(dǎo)體材和熱電偶型。光電轉(zhuǎn)換中根據(jù)探測的光子波長，分為狹能隙半導(dǎo)體材料（紅外）和寬能隙半導(dǎo)體材料（可見和紫外）。寬能隙材料以料（紅外）和寬能隙半導(dǎo)體材料（可見和紫外）。寬能隙材料以Si Si、GeGe、和、和GaNGaN、AlNAlN等為主，狹能隙半導(dǎo)體材料主要為鉛鹽、碲鎘汞、等為主，狹能隙半導(dǎo)體材料主要為鉛鹽、碲鎘汞、SbInSbIn等。近期光電探測器最大的進(jìn)展在兩個方面：等。

19、近期光電探測器最大的進(jìn)展在兩個方面：(1)(1)用超晶格（量子用超晶格（量子阱）結(jié)構(gòu)提高了量子效率、相應(yīng)時間和集成度；（阱）結(jié)構(gòu)提高了量子效率、相應(yīng)時間和集成度；（2 2）制成了探測器）制成了探測器列陣，可以用作成像探測。兩者結(jié)合后最典型的例子為可以制成探測列陣，可以用作成像探測。兩者結(jié)合后最典型的例子為可以制成探測靈敏度極高的靈敏度極高的HgCdTeHgCdTe紅外焦平面列陣（紅外焦平面列陣（FPAFPA），并成功地應(yīng)用于紅外），并成功地應(yīng)用于紅外遙感、成像等。遙感、成像等。v傳感器材料傳感器材料v半導(dǎo)體傳感器材料和光纖傳感器材料，半導(dǎo)體傳感器材料和光纖傳感器材料，v在外場（光、熱、電、磁等

20、）作用下半導(dǎo)體的電性能發(fā)生變化，由此在外場（光、熱、電、磁等）作用下半導(dǎo)體的電性能發(fā)生變化，由此獲得外場信息，對壓力敏感的半導(dǎo)體，有由于壓力影響產(chǎn)生電阻變化獲得外場信息，對壓力敏感的半導(dǎo)體，有由于壓力影響產(chǎn)生電阻變化的壓阻半導(dǎo)體材料，如的壓阻半導(dǎo)體材料，如Si Si、GeGe、InSbInSb、GaPGaP等；有靠壓電效應(yīng)的等；有靠壓電效應(yīng)的II IIVIVI和和IIIIIIV V族半導(dǎo)體化合物以及壓電陶瓷（以族半導(dǎo)體化合物以及壓電陶瓷（以BaTiO3BaTiO3為代表）等。對熱為代表）等。對熱敏感的半導(dǎo)體材料可分正溫度系數(shù)（敏感的半導(dǎo)體材料可分正溫度系數(shù)（NTCNTC）和負(fù)溫度系數(shù)（）和負(fù)溫

21、度系數(shù)（PTCPTC）材）材料。光電探測器皆為光敏半導(dǎo)體材料；磁電阻效應(yīng)和霍耳效應(yīng)將磁場料。光電探測器皆為光敏半導(dǎo)體材料；磁電阻效應(yīng)和霍耳效應(yīng)將磁場強度轉(zhuǎn)換成電信號的為磁敏半導(dǎo)體材料。強度轉(zhuǎn)換成電信號的為磁敏半導(dǎo)體材料。v光在光纖中傳輸時，受外場的作用能引起振幅、位相、頻率和偏振狀光在光纖中傳輸時，受外場的作用能引起振幅、位相、頻率和偏振狀態(tài)的變化。態(tài)的變化。Fibre Optics Sensor TechnologiesvOTDR Rayleight 光時域反射計-瑞利散射vRaman-OTDR 光時域反射計-拉曼vBrillouin-OTDR光時域反射計 布里淵vFibre Grating Sensors光纖傳感器v*OTDR Optical Time-Domain Reflectometer (光時域反射計)Brillouin ScatteringThe interaction between acoustic and optical waves depends on the strain and temperature state of the fiber.Applications用途用途Interrogation of Fibre Bragg GratingOpti