半导体光电技术精选(九篇)

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第1篇：半导体光电技术范文

关键词：半导体激光器，闭环控制，自动温度控制

一、半导体激光器稳恒控制

对半导体激光器进行控制，常采用自动控制的方法，其包括自动电流控制（ACC）、自动功率控制（APC）、自动温度控制（ATC）、电压恒定控制（AVC）。

自动电流控制（ACC）是对半导体激光器的注入电流进行稳恒控制的一种控制方式。即通过电流反馈控制回路，来获得最低的电流偏差。当要求驱动电流稳定时，常采用ACC工作模式。

自动功率控制（APC）是对半导体激光器的输出光功率进行稳恒控制的一种控制方式。即当LD工作时， PD将接收的部分光功率转化为监测电流，该电流与PD接收到的光功率成正比。监测电流经过电流/电压转换后，通过反馈网络与设定值进行比较，形成闭环负反馈控制。

自动温度控制（ATC）是在对半导体激光器进行控制时保证其温度恒定不变。

电压恒定控制（AVC）是在对半导体激光器进行控制时保证其驱动电压恒定不变。

通过上述分析可以看出，ACC、APC方式适用于带有温度调节的半导体激光器，配合ATC控制方式，会产生很好的效果。一般情况下，激光器的光电转换效率随着使用时间的增长而降低，以此APC控制精度优于ACC。当要求LD的驱动电压恒定时，采用AVC模式[1] 。

鉴于以上分析本文采用APC和ATC控制方式相结合驱动半导体激光器。

二、半导体激光器自动功率控制（APC）原理

为方便功率的控制，通常半导体激光器内部将半导体激光器与光电二极管集成在一起，装在同一管芯内。PD感应的光电流很小（一般为几百微安），因此，对光电流检测器的灵敏度和精度要求很高。检测器的输出信号反馈回单片机系统并通过输入端控制电流驱动模块调整输出光功率，一般将驱动模块与功率控制模块统一考虑[2] 。

自动功率控制原理框图如1-1所示。

图1-1自动功率控制原理框图

采用背向光反馈自动偏置控制方式，即用半导体激光器组件中的光电二极管检测激光器背向输出光功率。因为背向输出光功率能跟踪前向输出光功率的变化，通过闭环控制系统就可以调节激光器的工作电流，达到输出稳定光功率的目的。检测光电二极管的输出光电流，然后经过光电转换及前置放大电路，主放大电路以及滤波电路，A/D转换以后进入单片机系统，通过ADuC836单片机处理以后通过D/A转换电路反馈回恒流源电路，控制恒流值的大小，从而控制半导体激光器的光功率，达到稳定光功率的目的。

正常状态下，半导体激光器工作在设定点，流过其驱动电流I与其输出光功率处于稳定的状态。当LD因某种原因功率增大时，耦合至PD的光电流也按比例增大；当LD光功率降低时，PD的光电流相应减小。监测PD输出光电流的变化控制LD的注入电流，当输出光电流减小时，通过单片机控制增大LD的注入电流，以保证输出功率的稳定；反之，若输出光电流增大时，则降低LD的注入电流。

自动功率控制是以稳定输出功率为目的，以输出光功率作为反馈信号，控制驱动电流源，以消除温度和浪涌等因素造成的输出功率的不稳定。

入射光强Pin与光电流Im的关系如公式（1-1）所示[3]：

式中R：光电二极管的响应度，可由所使用的半导体激光器组件参数求得。

三、半导体激光器自动温度控制（ATC）原理

温度是LD性能恶化、寿命减少的主要因素，温度升高使输出功率下降，并且影响波长的稳定性[4]。目前已经提出了很多种半导体激光器温控电路，采用模拟技术和数字技术，但高精度温度控制并不是一件容易实现的事情。本文在软件上采用PID（Proportion，Integrator，Differentiator）控制技术及模糊控制作为核心，以减少静态误差、提高控制精度。

自动温度控制（ATC）电路系统原理框图如图1-2所示。

图1-2自动温度控制原理框图

自动温度控制（ATC）系统包括：采样部分、转换部分、单片机系统部分和制冷控制部分[9]。半导体激光器工作时，随时间的推移其温度会逐渐升高，测温传感器将温度变化的信号转换成电阻信号，由温度—电压转换电路（T/V）将信号转换为电压信号以便后续处理，仪表运算放大电路是将电压信号进行高精度放大以利于A/D转换，由于本文所选的单片机自带A/D转换器，可直接将代表温度的信号从A/D转换模拟通道输入到单片机系统，单片机系统经过PID算法处理后由输出端口输出数字控制信号到D/A转换电路，经过D/A转换的模拟控制信号就可以控制半导体制冷器的驱动电路，达到控制半导体制冷器的电流及制冷功率，从而保证半导体激光器温度恒定。

温度传感器采用负温度系数热敏电阻，其工作原理是将温度的变化转化为自身电阻的变化。因此，测温的精度取决于这个电阻值的变化转换为电压变化过程的精度。将电阻值的变化转换为电压的变化常采用电桥方法，并用仪表运算放大电路保证信号转换和传输。控制程序采用PID控制算法控制帕耳帖的电流，来控制帕耳帖的制冷量，实现半导体激光器的恒温度控制。自动温度控制电路通过改变半导体制冷器上的电流大小和方向，对半导体激光器进行加热或制冷，来控制其温度，使功率稳定输出。当半导体激光器温度升高时，制冷器制冷，其温度下降；当半导体激光器温度降低时，制冷器加热，其温度上升。

四、总结

本文主要介绍了半导体激光器的四种驱动方式及各种方式的优缺点；并详细给出了本课题所采用的自动功率控制、自动温度控制的工作原理。自动功率控制是采用光电二极管的输出电流，处理后与设定值比较来调整激光器的工作电流，从而实现激光器功率闭环控制。自动温度控制是通过热敏电阻采集激光器的温度，将得到的温度值与设定值进行比较，从而控制TEC驱动电路中电流的流向及大小。

参考文献：

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第2篇：半导体光电技术范文

在半导体产业的发展中，一般将硅、锗称为第一代半导体材料;将砷化镓、磷化铟、磷化镓等称为第二代半导体材料;而将宽禁带eg2.3ev的氮化镓、碳化硅和金刚石等称为第三代半导体材料。本文介绍了三代半导体的性质比较、应用领域、国内外产业化现状和进展情况等。

关键词

半导体材料;多晶硅;单晶硅;砷化镓;氮化镓

1前言

半导体材料是指电阻率在107Ωcm10-3Ωcm，界于金属和绝缘体之间的材料。半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料[1]，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。电子信息产业规模最大的是美国和日本，其2002年的销售收入分别为3189亿美元和2320亿美元[2]。近几年来，我国电子信息产品以举世瞩目的速度发展，2002年销售收入以1.4亿人民币居全球第3位，比上年增长20，产业规模是1997年的2.5倍，居国内各工业部门首位[3]。半导体材料及应用已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。

半导体材料的种类繁多，按化学组成分为元素半导体、化合物半导体和固溶体半导体;按组成元素分为一元、二元、三元、多元等;按晶态可分为多晶、单晶和非晶;按应用方式可分为体材料和薄膜材料。大部分半导体材料单晶制片后直接用于制造半导体材料，这些称为“体材料”;相对应的“薄膜材料”是在半导体材料或其它材料的衬底上生长的，具有显著减少“体材料”难以解决的固熔体偏析问题、提高纯度和晶体完整性、生长异质结，能用于制造三维电路等优点。许多新型半导体器件是在薄膜上制成的，制备薄膜的技术也在不断发展。薄膜材料有同质外延薄膜、异质外延薄膜、超晶格薄膜、非晶薄膜等。

在半导体产业的发展中，一般将硅、锗称为第一代半导体材料;将砷化镓、磷化铟、磷化镓、砷化铟、砷化铝及其合金等称为第二代半导体材料;而将宽禁带eg2.3ev的氮化镓、碳化硅、硒化锌和金刚石等称为第三代半导体材料[4]。上述材料是目前主要应用的半导体材料，三代半导体材料代表品种分别为硅、砷化镓和氮化镓。本文沿用此分类进行介绍。

2主要半导体材料性质及应用

材料的物理性质是产品应用的基础，表1列出了主要半导体材料的物理性质及应用情况[5]。表中禁带宽度决定发射光的波长，禁带宽度越大发射光波长越短蓝光发射;禁带宽度越小发射光波长越长。其它参数数值越高，半导体性能越好。电子迁移速率决定半导体低压条件下的高频工作性能，饱和速率决定半导体高压条件下的高频工作性能。

硅材料具有储量丰富、价格低廉、热性能与机械性能优良、易于生长大尺寸高纯度晶体等优点，处在成熟的发展阶段。目前，硅材料仍是电子信息产业最主要的基础材料，95以上的半导体器件和99以上的集成电路ic是用硅材料制作的。在21世纪，可以预见它的主导和核心地位仍不会动摇。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上的应用。

砷化镓材料的电子迁移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高频、高速和光电性能，并可在同一芯片同时处理光电信号，被公认是新一代的通信用材料。随着高速信息产业的蓬勃发展，砷化镓成为继硅之后发展最快、应用最广、产量最大的半导体材料。同时，其在军事电子系统中的应用日益广泛，并占据不可取代的重要地位。

gan材料的禁带宽度为硅材料的3倍多，其器件在大功率、高温、高频、高速和光电子应用方面具有远比硅器件和砷化镓器件更为优良的特性，可制成蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件。近年来取得了很大进展，并开始进入市场。与制造技术非常成熟和制造成本相对较低的硅半导体材料相比，第三代半导体材料目前面临的最主要挑战是发展适合gan薄膜生长的低成本衬底材料和大尺寸的gan体单晶生长工艺。

主要半导体材料的用途如表2所示。可以预见以硅材料为主体、gaas半导体材料及新一代宽禁带半导体材料共同发展将成为集成电路及半导体器件产业发展的主流。

3半导体材料的产业现状

3.1半导体硅材料

3.1.1多晶硅

多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原料，主要生产方法为改良西门子法。目前全世界每年消耗约18000t25000t半导体级多晶硅。2001年全球多晶硅产能为23900t，生产高度集中于美、日、德3国。美国先进硅公司和哈姆洛克公司产能均达6000t/a，德国瓦克化学公司和日本德山曹达公司产能超过3000t/a，日本三菱高纯硅公司、美国memc公司和三菱多晶硅公司产能超过1000t/a，绝大多数世界市场由上述7家公司占有。2000年全球多晶硅需求为22000t，达到峰值，随后全球半导体市场滑坡;2001年多晶硅实际产量为17900t，为产能的75左右。全球多晶硅市场供大于求，随着半导体市场的恢复和太阳能用多晶硅的增长，多晶硅供需将逐步平衡。

我国多晶硅严重短缺。我国多晶硅工业起步于50年代，60年代实现工业化生产。由于技术水平低、生产规模太小、环境污染严重、生产成本高，目前只剩下峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂2个厂家生产多晶硅。2001年生产量为80t[7]，仅占世界产量的0.4，与当今信息产业的高速发展和多晶硅的市场需求急剧增加极不协调。我国这种多晶硅供不应求的局面还将持续下去。据专家预测，2005年国内多晶硅年需求量约为756t，2010年为1302t。

峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂1999年多晶硅生产能力分别为60t/a和20t/a。峨嵋半导体材料厂1998年建成的100t/a规模的多晶硅工业性生产示范线，提高了各项经济技术指标，使我国拥有了多晶硅生产的自主知识产权。该厂正在积极进行1000t/a多晶硅项目建设的前期工作。洛阳单晶硅厂拟将多晶硅产量扩建至300t/a，目前处在可行性研究阶段。

3.1.2单晶硅

生产单晶硅的工艺主要采用直拉法cz、磁场直拉法mcz、区熔法fz以及双坩锅拉晶法。硅晶片属于资金密集型和技术密集型行业，在国际市场上产业相对成熟，市场进入平稳发展期，生产集中在少数几家大公司，小型公司已经很难插手其中。

目前国际市场单晶硅产量排名前5位的公司分别是日本信越化学公司、德瓦克化学公司、日本住友金属公司、美国memc公司和日本三菱材料公司。这5家公司2000年硅晶片的销售总额为51.47亿元，占全球销售额的70.9，其中的3家日本公司占据了市场份额的46.1，表明日本在全球硅晶片行业中占据了主导地位[8]。

集成电路高集成度、微型化和低成本的要求对半导体单晶材料的电阻率均匀性、金属杂质含量、微缺陷、晶片平整度、表面洁净度等提出了更加苛刻的要求详见文献[8]，晶片大尺寸和高质量成为必然趋势。目前全球主流硅晶片已由直径8英寸逐渐过渡到12英寸晶片，研制水平达到16英寸。

我国单晶硅技术及产业与国外差距很大，主要产品为6英寸以下，8英寸少量生产，12英寸开始研制。随着半导体分立元件和硅光电池用低档和廉价硅材料需求的增加，我国单晶硅产量逐年增加。据统计，2001年我国半导体硅材料的销售额达9.06亿元，年均增长26.4。单晶硅产量为584t，抛光片产量5183万平方英寸，主要规格为3英寸6英寸，6英寸正片已供应集成电路企业，8英寸主要用作陪片。单晶硅出口比重大，出口额为4648万美元，占总销售额的42.6，较2000年增长了5.3[7]。目前，国外8英寸ic生产线正向我国战略性移动，我国新建和在建的f8英寸ic生产线有近10条之多，对大直径高质量的硅晶片需求十分强劲，而国内供给明显不足，基本依赖进口，我国硅晶片的技术差距和结构不合理可见一斑。在现有形势和优势面前发展我国的硅单晶和ic技术面临着巨大的机遇和挑战。

我国硅晶片生产企业主要有北京有研硅股、浙大海纳公司、洛阳单晶硅厂、上海晶华电子、浙江硅峰电子公司和河北宁晋单晶硅基地等。有研硅股在大直径硅单晶的研制方面一直居国内领先地位，先后研制出我国第一根6英寸、8英寸和12英寸硅单晶，单晶硅在国内市场占有率为40。2000年建成国内第一条可满足0.25μm线宽集成电路要求的8英寸硅单晶抛光片生产线;在北京市林河工业开发区建设了区熔硅单晶生产基地，一期工程计划投资1.8亿元，年产25t区熔硅和40t重掺砷硅单晶，计划2003年6月底完工;同时承担了投资达1.25亿元的863项目重中之重课题“12英寸硅单晶抛光片的研制”。浙大海纳主要从事单晶硅、半导体器件的开发、制造及自动化控制系统和仪器仪表开发，近几年实现了高成长性的高速发展。

3.2砷化镓材料

用于大量生产砷化镓晶体的方法是传统的lec法液封直拉法和hb法水平舟生产法。国外开发了兼具以上2种方法优点的vgf法垂直梯度凝固法、vb法垂直布里支曼法和vcz法蒸气压控制直拉法，成功制备出4英寸6英寸大直径gaas单晶。各种方法比较详见表3。

移动电话用电子器件和光电器件市场快速增长的要求，使全球砷化镓晶片市场以30的年增长率迅速形成数十亿美元的大市场，预计未来20年砷化镓市场都具有高增长性。日本是最大的生产国和输出国，占世界市场的7080;美国在1999年成功地建成了3条6英寸砷化镓生产线，在砷化镓生产技术上领先一步。日本住友电工是世界最大的砷化镓生产和销售商，年产gaas单晶30t。美国axt公司是世界最大的vgf

gaas材料生产商[8]。世界gaas单晶主要生产商情况见表4。国际上砷化镓市场需求以4英寸单晶材料为主，而6英寸单晶材料产量和市场需求快速增加，已占据35以上的市场份额。研制和小批量生产水平达到8英寸。

我国gaas材料单晶以2英寸3英寸为主，

4英寸处在产业化前期，研制水平达6英寸。目前4英寸以上晶片及集成电路gaas晶片主要依赖进口。砷化镓生产主要原材料为砷和镓。虽然我国是砷和镓的资源大国，但仅能生产品位较低的砷、镓材料6n以下纯度，主要用于生产光电子器件。集成电路用砷化镓材料的砷和镓原料要求达7n，基本靠进口解决。

国内gaas材料主要生产单位为中科镓英、有研硅股、信息产业部46所、55所等。主要竞争对手来自国外。中科镓英2001年起计划投入近2亿资金进行砷化镓材料的产业化，初期计划规模为4英寸6英寸砷化镓单晶晶片5万片8万片，4英寸6英寸分子束外延砷化镓基材料2万片3万片，目前该项目仍在建设期。目前国内砷化镓材料主要由有研硅股供应，2002年销售gaas晶片8万片。我国在努力缩小gaas技术水平和生产规模的同时，应重视具有独立知识产权的技术和产品开发，发展我国的砷化镓产业。

3.3氮化镓材料

gan半导体材料的商业应用研究始于1970年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的特性一开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但gan的生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得了商业应用的实质进步和突破。由于gan半导体器件在光电子器件和光子器件领域广阔的应用前景，其广泛应用预示着光电信息乃至光子信息时代的来临。

2000年9月美国kyma公司利用aln作衬底，开发出2英寸和4英寸gan新工艺;2001年1月美国nitronex公司在4英寸硅衬底上制造gan基晶体管获得成功;2001年8月台湾powdec公司宣布将规模生产4英寸gan外延晶片。gan基器件和产品开发方兴未艾。目前进入蓝光激光器开发的公司包括飞利浦、索尼、日立、施乐和惠普等。包括飞利浦、通用等光照及汽车行业的跨国公司正积极开发白光照明和汽车用gan基led发光二极管产品。涉足gan基电子器件开发最为活跃的企业包括cree、rfmicrodevice以及nitronex等公司。

目前，日本、美国等国家纷纷进行应用于照明gan基白光led的产业开发，计划于2015年-2020年取代白炽灯和日光灯，引起新的照明革命。据美国市场调研公司strstegiesunlimited分析数据，2001年世界gan器件市场接近7亿美元，还处于发展初期。该公司预测即使最保守发展，2009年世界gan器件市场将达到48亿美元的销售额。

因gan材料尚处于产业初期，我国与世界先进水平差距相对较小。深圳方大集团在国家“超级863计划”项目支持下，2001年与中科院半导体等单位合作，首期投资8千万元进行gan基蓝光led产业化工作，率先在我国实现氮化镓基材料产业化并成功投放市场。方大公司已批量生产出高性能gan芯片，用于封装成蓝、绿、紫、白光led，成为我国第一家具有规模化研究、开发和生产氮化镓基半导体系列产品、并拥有自主知识产权的企业。中科院半导体所自主开发的gan激光器2英寸外延片生产设备，打破了国外关键设备部件的封锁。我国应对大尺寸gan生长技术、器件及设备继续研究，争取在gan等第三代半导体产业中占据一定市场份额和地位。

4结语

不可否认，微电子时代将逐步过渡到光电子时代，最终发展到光子时代。预计到2010年或2014年，硅材料的技术和产业发展将走向极限，第二代和第三代半导体技术和产业将成为研究和发展的重点。我国政府决策部门、半导体科研单位和企业在现有的技术、市场和发展趋势面前应把握历史机遇，迎接挑战。

参考文献

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[3]蓬勃发展的中国电子信息产业.信息产业部电子信息产品管理司司长张琪在“icchina2003”上的主题报告

[4]梁春广.gan-第三代半导体的曙光.新材料产业，2000，53136

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[7]中国电子工业年鉴编委会.中国电子工业年鉴2002[m].

第3篇：半导体光电技术范文

关键词：光导光导开关；皮秒；脉冲发生器

中图分类号：TN782 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 11-0000-02

准确可靠的触发是脉冲功率技术研究的重要内容。随着脉冲功率技术的发展，触发源技术也日新月异，新型触发源不仅要求快导通前沿、高重复频率还要有高稳定度。上世纪70年代在线性和非线性两种模式下，它对控制光脉冲有很好的响应，几乎可以实现与光同步，它带领着脉冲功率触发技术走到了另一个时代。

一、光导开光

光导半导体开关（Photoconductive Semiconductor Switch，PCSS）是超快脉冲激光器和光电半导体相结合形成的新型器件，通过触发光对半导体材料电导率的控制实现开关的关断和导通。PCSS具有响应速度快（小于0.6ps），重复率高（GHz量级）、易于精确同步（触发晃动仅ps量级）、不易受电磁干扰（光电隔离）、耐高压、寄生电感电容小、结构简单灵活等优点。随着研究的不断深入，至今已能利用光导开光技术研制太赫兹脉冲发生器，结合fs激光触发，光导开光可以产生高功率皮秒脉冲和脉宽在ps量级的电磁辐射，拥有从接近直流到THz级的超宽频带，为超宽带雷达的实现提供了可能。

GaAs光电导开关是由脉冲激光器与半绝缘GaAs相结合形成的器件，如图1所示，基于内光电效应工作原理。

（一）光导开光结构

常见的光导开关结构有横向结构、平面结构和相对电极结构。根据光电导开关的偏置电场和触发光脉冲的入射方向关系可将开关分为横向开关和纵向开关两种基本结构，如图2所示。当触发光脉冲入射方向与开关偏置电场方向相互垂直时，为横向结构的光电导开关。当触发光脉冲入射方向与开关偏置电场方向相互平行时，为纵向结构的光电导开关。

横向光电导开关光作用区域面积大。无论光的吸收深度是几微米还是几百微米，所有光都被激活区吸收。在线性模式均匀光照条件下，开关的峰值电流、上升时间和脉宽仅仅依赖于触发光脉冲的幅值、脉宽、载流子复合时间和开关所处电路结构。横向光电导开关的缺点是在工作时，由于偏置电场穿通开关整个表面，从而使得开关的表面击穿场强远小于材料的本征击穿强度。开关常常会出现表面闪络或沿面放电等现象，从而大大限制了开关的耐压能力和功率容量。

纵向结构开关可以减少开关表面电场，从而提高开关的击穿电压。但这种开关的主要缺点是开关至少需要一个透明电极，而这种透明电极的制作工艺非常复杂。此外开关芯片的吸收深度对开关的瞬态特性有较大影响。

横向开关和纵向开关各有优缺点，具体选用哪一种结构的开关，要根据开关的具体应有来决定。由于横向光电导开关制作简单，有较大光照面积和电导通道，可以用较宽波长范围的光来触发，因而在制作大功率光电导开关时主要采用横向结构的开关。

（二）光导开关半导体材料

光导开关的发展与半导体材料技术的发展密切相关。在半导体材料的发展过程中，一般将以硅（Si）为代表的半导体材料称为第一代半导体材料；将以砷化镓（GaAs）为代表的化合物半导体称为第二代半导体材料：将以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带化合物半导体称为第三代半导体材料。与之相对应，相继出现了Si光导开关、GaAs光导开关和SiC光导开关。

Si光导开关，由于Si禁带宽度窄，载流子迁移率低等特点不适合制作超快大功率光导开关；GaAs光导开关，虽然GaAs的大暗态电阻率和宽禁带有利于制作大功率器件，但由于GaAs热导率低、抗高辐射性能较差，运行过程中容易出现热奔和锁定效应，限制了GaAs光导开关窄高温、高重复速率、高功率和高辐射环境中的使用；SiC光导开关可以将触发光的能力大大降低，但其在高电压下容易击穿，在高重复频率下容易出现热击穿，且只能工作在线性模式下。

二、皮秒脉冲源

项目主要任务就是研制一个高稳定度快脉冲源装置，该装置的主要功能是：接到系统给出的触发指令后，打开电光开关，输出脉宽约为2ns的光脉冲，驱动光导开关输出高压脉冲信号。要求输出的高压脉冲信号前沿小于200ps，幅度为3～5kV，系统晃动时间不大于250ps。

本方案的基本工作原理如图3所示：利用高压电源对储能电容充电，充电完成后，激光器在接到触发脉冲指令时，发出脉宽为2ns的光脉冲信号驱动光导开关，储能电容内存储的能量通过光导开关释放到取样电阻上，输出高压脉冲信号。

本项目技术关键点主要在于两个方面：a.主脉冲波形的质量，包括主脉冲的峰值、脉宽、前后沿以及稳定性；b.触发脉冲至主脉冲1的时间间隔T1的稳定性。为了获得满足技术指标要求的主脉冲信号，主放电回路拟采用光导开关对贮能元件进行放电。由于光导开关具有高速导通和关断、高稳定性的特点，只要选择合适的基本回路参数可以确保获得高质量的满足指标要求的主脉冲信号。电路基本参数仿真机波形如图4、5、6所示。

三、结论

光导开关在2ns激光脉冲控制下，输出高压脉冲与控制光脉冲响应良好，上升时间169ps，脉宽2ns。利用光导开关设计的皮秒脉冲发生器可以在重复频率下工作，图7为75kHz下高压脉冲输出波形。

参考文献：

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第4篇：半导体光电技术范文

[关键词]环鄱阳湖；南昌；LED产业

2006年12月中旬召开的江西省第十二次党代会上，江西省委、省政府提出了构建“环鄱阳湖经济圈”的发展战略构想，随后江西省发展改革委员会出台了《环鄱阳湖经济圈规划(2006～2010)》，这是江西策应中部崛起战略的重大举措，也是继中部湖北“武汉城市圈”、湖南“长株潭城市群”、河南“中原城市群”、安徽“皖江城市带”之后的第五大“经济圈”规划。2008年“两会”期间，江西代表团又提出了建设“环鄱阳湖生态经济区”的战略构想，积极争取列入国家规划，上升为国家的区域发展战略。江西省省长吴新雄指出，建立环鄱阳湖生态经济区，是实现江西崛起新跨越的必然选择，是争取江西在全国区域发展格局中有利地位的战略抉择，必将对全省经济社会又好又快发展产生积极的促进作用。鄱阳湖是全国最大的淡水湖，是江西生态环境优势的集中体现。如何利用生态这一优势，把握机遇，实现“生态立省”和“加快发展”的统一，是摆在江西人民面前的重大课题。本文从现代光电产业基地建设的角度对环鄱阳湖经济圈龙头城市――南昌LED产业的发展问题进行探讨。

一、环鄱阳湖经济圈发展南昌LED产业的必要性

(一)LED的内涵

LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种半导体材料制成的光电器件。作为一种新型的固态冷光源，它具有节能、环保、寿命长、启动时间短、结构牢固、体积小、美化生活七大优点，是人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后又一次新的光源革命，被人们称为第四代照明光源或绿色光源，也被公认为21世纪最具发展前景的高技术领域之一。

(二)环鄱阳湖经济圈发展南昌LED产业的重要意义

1.发展南昌LED产业有利于在环鄱阳湖经济圈内培养新的经济增长点

为了节能减排，提倡使用绿色资源，近年来世界各主要发达国家相继制定相应的国家级LED发展计划，加大研发力度，欲抢占半导体照明新兴产业制高点。美国能源部曾经预测，2008年，全球LED产业规模达到74.99亿美元(数据不包括LED应用产业)，年均增长率近20％。到2010年，美国将有55％的白炽灯和荧光灯被半导体灯所替代，每年节约电费可达350亿美元，预计到2015年，半导体灯将形成500～1000亿美元的大产业。

我国是世界照明电器生产和出口大国之一，拥有巨大的照明工业和照明市场。经过多年的快速发展，我国在LED领域已具备一定技术和产业基础。目前中国LED产业已经形成四大片区(珠三角、长三角、福建江西地区、北方地区)、七大基地(大连、上海、深圳、南昌、厦门、扬州、石家庄)。

基于国内外发展LED产业的背景下，环鄱阳湖经济圈从自身条件出发，欲将南昌LED产业培养成为圈内新的经济增长点。一方面，LED照明是安全、健康的“绿色光源”，环保效果明显，这一优势恰好与江西省“生态立省”的指导思想一致；另一方面，作为我国第一批半导体照明工程产业化基地，南昌LED产业基础良好、发展迅速。2008年，高新区LED产业产值超过50亿元，销售收入连续五年进入全国前五名。2012年前，南昌市将重点实施有关LED产业的12个重大工程和项目，这批项目总投资88亿元，建成投产后可实现销售收入100亿元以上，远期规划工程和项目3个，总投资超过200亿元，预期经济效益可达800亿元。

2.发展南昌LED产业有利于环鄱阳湖经济圈调整和优化经济结构，促进区域内产业结构升级

全球照明目前以白炽灯为主，为了推广节能、环保的照明新技术，各国将陆续禁用白炽灯。中国已经出台LED产品推广补贴、LED研究资助、全国七大LED产业基地建设等宏观政策，全面禁用白炽灯正提上立法日程。南昌市拥有深厚的LED产业基础，优先发展LED产业可引导南昌大规模应用LED照明技术及产品，以此更新节能环保照明的消费理念，还可调整传统照明产业结构，加快环湖区内照明产业的结构升级。

3.发展南昌LED产业有利于带动环鄱阳湖经济圈内相关产业的发展

半导体照明产业涉及节能、环保、高技术、微电子、基础装备制造等诸多领域，发展半导体照明产业，对信息产业、汽车电子、原材料与装备制造、消费类电子、航空航天、太阳能光伏以及整个光电子产业等领域均起到重要带动作用。特别是根据《环鄱阳湖生态经济区规划》的要求，欲以环湖中心城市为重点，建立航空产业基地及汽车、零部件生产基地等。可以预计半导体照明的广泛应用，将显著提高这些产品的附加值，加快各基地的落成，并且在巨大的市场需求拉动下，发展半导体照明产业将带动我国原材料与装备制造业的快速发展。

二、南昌LED产业的现状及其存在的问题

经过近三十年的发展，南昌市半导体发光材料与器件在全国已具有比较明显的优势，LED产业已成为南昌市重点扶持产业之一。在研发方面，有教育部发光材料与器件工程研究中心和863(光电子领域)高技术成果产业化基地。在产业发展方面，外延材料、LED芯片、器件及应用产品均实现了规模化生产。上游产业，晶能光电依托南昌大学开发的硅衬底蓝光LED技术打破了此前日本日亚公司垄断蓝宝石村底和美国Cree公司垄断碳化硅衬底半导体照明技术的局面，形成了国际半导体照明上游技术的三足鼎立。借助这一优势，南昌市在上游技术上与北京、上海、广州、深圳等地同处国内第一梯队；中游产业，南昌欣磊光电科技有限公司的LED芯片生产规模一直为全国(大陆)最大，联创光电依托上游产能优势，在南昌封装产业中也占据重要地位；下游产业，LED应用领域已初具规模，划分为LED器件、LED显示屏、LED液晶背光源和LED照明等四大应用产品集群。总体来看，应用产品的技术力量和企业规模还相当薄弱，产品附加值低。

南昌作为我国半导体照明工程产业化基地之一，国家“十城万盏”半导体照明应用工程试点城市，在国内半导体照明产业中占有重要地位。在南昌高新区内，具有一定规模的半导体照明企业15家，从业人员3200余人，1／3为工程技术人员，年产销半导体发光产品100多亿套，占全国市场25％以上。经过多年的发展，南昌已初步形成以晶能光电、联创光电等公司的外延片产品为上游产业，晶能光电、欣磊光电等公司的芯片制造为中游产业，联创光电、联众电子、永兴电子等的芯片封装和联创博雅、恒明科技、宇欣科技等的光源、灯具、LED显示屏、联创致光的手机背光源等为下游产业，宏森高科光电子的LED支架为配套产业的一个较为完整的产业链，形成了互有分工、关联配套的企业集群；分工涉及LED衬底硅材料生产、专用切割刀

具、外延片、芯片制造、芯片封装、LED显示屏、手机背光源及照明等各个生产环节。2008年，高新区LED产业产值超过50亿元，销售收入连续五年进入全国前五名，已经产生了一定的产业集聚效应。

三、南昌市LED产业存在的问题

1.LED产业集群发展不完善

首先南昌国家高新区虽然形成了完整的LED产业链，但是受南昌及周边城市工业基础较薄弱的影响，产业配套能力较弱，和其他国家半导体照明基地相比有一定差距。其次公共服务体系的不完善制约了南昌国家高新区LED产业集群内中小企业的发展。再次从整个产业链来看，存在上中下游产业发展不均衡，应用产品产业化能力弱的问题。特别是LED照明光源、灯具等应用产品，始终不能独立形成大规模应用产品的产业化生产的能力。

2.LED产业发展的技术还有待创新

我市拥有完全自主知识产权的硅衬底蓝光LED芯片与器件，还存在亮度不够等困难；龙头企业缺乏，与欧美和台湾地区的大公司相比，不论是技术力量还是企业规模都相当薄弱；其他企业产品档次和附加值低，以中低端产品为主，高端产品少。

3.LED产业化专门人才缺乏，人才培养体系尚未建立

南昌市虽然是我国最早从事LED研发和生产的地区，但是缺乏具有现代管理理念的产业化专才，也没有形成系统的LED高、中、低各类人才培养体系。

4.LED产业发展市场开拓不够

LED产品升级换代快，市场竞争导致价格下降，企业的利润减少，影响对新产品的投资研发。与此同时设计及研发成本急速上升，应用产品又还没有进入千家万户，使得LED照明产业呈现投入大产出小现象。加之招商引资重点不明确，开拓市场显得更加困难。

5.政府对LED产业发展的技术研发投入严重不足

南昌市虽然从2004年起，设立光电子产业化专项资金，用于支持南昌光电子产业发展，但是这一专项资金每年共计才600万元，与其它基地的政府投入相比，与发展该产业对我市未来经济发展的重要地位相比，从LED产业高投入、高风险的实际来看，政府投入严重不足。

四、发展南昌LED产业的对策措施

1.选择“龙头企业+工业园区”的产业集群发展模式

LED产业属于技术一资本密集型产业，需规模化生产方可降低成本，且耗能巨大，因此培育产业集群发展的模式必须选择龙头企业带动型模式。

具体做法：依托南昌国家高新区具有的优势，即晶能光电(江西)有限公司具有完全自主知识产权的硅衬底GaN基技术优势，金沙江产业园的投资带动优势，上市公司联创光电的融资优势。以及本地的劳动力廉价优势，在培育一批龙头企业的基础上，建设具有南昌国家高新区LED产业特色的三大产业集群。借助技术领先优势和劳动力廉价优势，努力开拓国际市场，将南昌国家高新区建设为LED产品出口的重要基地。借助与金沙江的合作，以政府为引导，以金沙江为带动，积极开展招商引资工作，将金沙江产业园建设为LED企业流入的聚集地，形成庞大的LED产业体系。借助联创光电的资本优势和电子元器件的生产优势，抢占全国电子元器件的市场份额，建立品牌优势，打造南昌国家高新区LED产业的一大特色产品。在此基础上，以市场为主导，积极引进LED产业投资，全面推进LED应用产品的生产。

2.大力实施技术创新与人才战略

进一步深入硅衬底GaN基核心技术的研究，将专利技术覆盖所有LED生产领域，形成LED国际和国家技术标准。通过技术攻关与研究开发，力争在功率型及超高亮度LED外延片和芯片制造技术、高性能LED封装技术等关键技术和工艺上有所突破，全面提升LED产业的技术档次和水平。技术的创新需要人才的支撑，南昌市政府应完善现有的人才引进政策，通过在住房、职称评定、子女求学等方面适当照顾大力引进一批高端管理人才和创新型技术人才，为LED产业发展提供强有力的智力支撑；以此同时，充分借助高校与科研院所的优势，分别在大学、大专、中专等院校建立LED相关学院和系，按照LED产业所需的人才梯度，培养研发专才、工程师和技术工人等一系列人才，为南昌国家高新区LED产业发展提供完善的人才保障。

3.拓展应用领域，以应用促产业发展

针对我市LED应用产品产业化能力弱的问题，本文的构思是建议以新构思、新技术、新产品引导新的应用。目前在城市路灯照明、室内装饰灯、汽车用照明等领域的LED应用才刚起步，还有很大发展空间，要通过政府采购、政府首购，新技术、新产品展示会，现场试用表演和建立示范工程等方式进行推广，不断扩大应用范围和规模，并最终实现产业化。

4.为企业和研发机构提供广阔的投融资渠道

LED产业的研发投入资金大、风险系数高，政府应为企业和研发机构提供广阔的投融资渠道。具体做法；一是对于符合LED结构调整方向的技术改造项目、技术创新项目及固定资产投资项目的LED企业可批准其申请贷款贴息。二是对符合条件且在授信额度内的LED企业贷款建立了“贷款绿色通道”，提高贷款效率。三是建立合同能源管理的“四方融资模式”，即企业与市政府签订能源管理合同，政府分期付款给企业；银行根据合同给企业贷款，市政府指导担保机构对企业提供流动资金贷款担保，企业再分期向银行还贷。解决企业本身授信不够、政府贷款过度、政策不可控制和延续性问题。四是成立LED产业发展基金，市财政在规划期内从扶持企业发展资金中，第一年、第二年各安排2000万元专项资金，第三年安排4000万元专项资金，用于扶持半导体照明产品的研发与产业化、公共服务平台建设与维护、示范应用的补助和工作经费等方面，各开发区、各县区都要安排一定资金用于半导体照明产业发展和推广应用。此外，通过举行经贸会等形式进行重点招商引资。

参考文献

[1]王万山，黄建军，《鄱阳湖生态经济区开放型经济研究》[C].江西人民出版社，2008(12)。

[2]南昌市科技局，《南昌市半导体照明(LED)产业发展规划(2009～2015)》[M].http：//ncinfo.省略.2010。

第5篇：半导体光电技术范文

陈朝，福州市人，1943年出生于福建省永安市，主要研究方向为半导光电体材料、器件和应用，涉及信息光电子学、半导体照明和光伏发电等领域。陈朝毕业于厦门大学物理系，学习了“无线电电子学”和“半导体物理与半导体器件物理”两个专业；1965年，在导师的建议下，年轻好学的陈朝继而选择了半导体光电研究方向，这为他后来的发展起到了非常重要的作用。

陈朝让人印象深刻的成果完成于1992年～1993年间，那时他作为高级访问学者，被国家教委公派到加拿大多伦多大学和白俄罗斯大学工作，负责由国家科委下达的、与白俄罗斯科学院电子研究所合作的“用于光纤通信的III―V族多层材料和光电器件的研制”国际合作项目，并设计了InP基单片集成PIN―FET多层材料，在同一片材料上成功研制出性能良好的PIN光电探测器和MISFET放大器。

在此过程中，陈朝研制出了高速、低暗电流、高响应度的InGaAs/InP PIN光电探测器芯片，集成了异质结分离、开管扩散、氧化铝抗反射膜等新技术。“这个芯片已经进行了TO―46及带尾纤的单管和PIN―TIA结构光电放大器组件封装测试，传输速率为655Mbps～2.5bps，现已获得‘InGaAs/InP PIN光电探测器及其制造工艺’发明专利。”陈朝说。2003年3月，由科技部和福建省科技厅组织的验收鉴定认为该工艺达到国际先进水平；2005年，该工艺获省市发改委80万元经费支持，在校办企业进行了产业化。

继芯片之后，陈朝又利用正性光刻剥离工艺，在国内首次研制成功新型多动能光控HEMT器件。他说：“该器件可用于光电集成电路，能够探测高频光纤信号并将其放大，是一件具有源头创新特点的产品。”借助国内合作的机会，陈朝完成了材料结构设计、生长和测量、版图设计制备、器件工艺、TO和双列直插型封装、静态和光敏特性测量等工作，并提出能较好描述该器件光敏、放大和微波特性的物理模型，对半导体光电材料和器件的发展起了良好的推动作用。

多晶硅的提纯一直是我国光伏产业发展面临的难题，陈朝凭借自己的专业知识，解决了这一难题。据悉，在进行“低成本多晶硅提纯及太阳能电池的研发与产业化”研究中，他采用精细的综合冶金物理方法，将工业硅的冶炼和提纯紧密结合，充分利用工业硅冶炼工程的余热，直接将2N的工业硅提纯到6N以上的太阳能级多晶硅；将5N多晶硅定向凝固、划片后经表面氯氧化和吸杂处理改性后，研制出光电转换效率超过11%的太阳能电池。这两项技术突破了长期制约我国光伏产业发展的瓶颈，产生了良好的经济效益和社会效益。

陈朝在半导体光电材料和器件领域的成就，远不止上面罗列的这些。他所负责的“863”计划和国家自然科学基金“激光诱导下的GaN P-型掺杂和P-型欧姆接触”项目，达到GaN空穴浓度超过5x1018cm-3以及GaN的P-型欧姆接触比接触电阻低2.5x10-4Ωcm2的良好效果，并获得两项发明专利。该项目属国际首创，处于国内最好的水平。陈朝说，目前该方法已经用于GaN蓝色和白光LED芯片的制备，不仅提高发光效率和器件的可靠性，还降低工作电压和热阻并延长了器件的工作寿命，经济效益良好。

此外，受厦门三优公司委托，陈朝研制的在650mm波长光照下，光响应度达0.4A/W的硅光电探测器，获得实用新型专利并申请了国家发明专利；在与深圳纳诺材料研究所的合作中，陈朝较系统地探索了类金刚石薄膜的掺杂和半导体光电性质，首次成功研制出类金刚石薄膜MSM结构的紫光和紫光电探测器，且自主设计和委托加工、封装研发了用于CD机上的单片集成光电探测放大器，填补了国内空白。

自投身科研以来，陈朝的日程被安排得满满当当，要找出一点空闲着实不容易。他放弃了清闲的日子，用几十年的辛劳耕耘换来了硕果等身，不仅在半导体光电材料和器件领域取得成绩，在光纤通信和有线电视领域也同样成就卓越。

1999年12月，由陈朝负责的“10Mbps、100Mbps光线收发器”项目，顺利通过福建省科技厅组织的成果鉴定，专家意见一致认为：“本成果在协议芯片的功能开发、防止高频信号相互耦合和实现光电接口等方面的设计上，具有创新性和先进性，项目技术已达国际同类产品先进水平，性价比优于国际同类产品，有较强的市场竞争力。”同时，该项目还荣获厦门市2000年科技进步三等奖、福建省2001年科技进步奖二等奖以及2项发明专利、2项实用新型专利和第十四届全国发明展览会银奖。

陈朝说，由于自己一直从事半导体光电器件的研究，所以进入光通信领域对他来说是很自然的事情，而他在光通信领域为人所称道的，是他在科研成果转化方面的贡献。据悉由他负责开发的“10Mbps、100Mbps光纤收发器”、“三端口高性价比普及型有线电视光接收机”和“用于有线电视网络的双向工作站”等成果现已全部转让给企业进行批量生产，取得了良好的经济效益。

为了实现高速、宽带、低成本的全光网络通信，突破最后一公里瓶颈，真正实现光纤到户（FTTH），近年来他致力于塑料光纤通信的新领域研发。他说：“我们采用850nm波长成功实现了点对点通信以及1310nm主干网和850nm局域网的互连，正在努力研发650nm单片集成塑料光纤收发器芯片。这样不久将有可能实现20Mpbs高速宽带低成本上网。”此外，陈朝不仅在国内首次研制出用于密集波分复用的石英小球卫星谐振腔光纤分叉器，并且还对其工作原理和制备方法进行了有效探索，为我国微腔光纤通信事业的发展奠定了坚实基础。

第6篇：半导体光电技术范文

关键词：半导体激光电源；MAX1968；TEC；TTL；温度控制

中图分类号：TN789文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）09-0021-02

一、半导体激光电源的发展及技术要求

目前，半导体激光器在通信技术、生物医学工程、军工技术等领域的应用越来越广泛。因此半导体激光电源的可靠性、稳定性也就显得格外重要。由于激光器的发射谱线、倍频晶体的相位匹配等对温度十分敏感，因此温度的变化严重影响着整个器件的性能，因此，温度控制电路对整个激光器件的品质是非常关键的。小功率的激光器可以采用简单的被动散热；高功率的激光器一般需要水冷，通过调节循环管道内水流量来达到控温的目的，这种方法精度不高，而且受到应用环境的限制，使激光器的应用范围变窄。若要激光器的控温具有高稳定度，则需要用半导体制冷器（Thermal Electronic Cooler，TEC）作为温控系统的控温执行器件，通过调节流经 TEC 的电流方向和大小，可以实现制冷或者加热，实现较高的控温效率，同时达到理想的控温精度。

二、半导体激光电源的系统设计

如图1的系统框图，整个系统分为三个部分，分别为激光电源（LASOR DIODE，简称LD）恒流输出部分，TTL电平控制部分以及半导体制冷器（Thermal Electronic Cooler， TEC）温度监测与控制部分。

在激光电源恒流输出部分中，首先用一个模块电源将市电的220V交流电转换为5V/4A的直流输出；然后通过一系列滤波调压将收到的直流电量整合到携带有少量微小噪声干扰的直流量，最后通过一个恒流电路将输出电流稳定到3A，输送给激光器。

在TTL电平控制部分中，主要是通过TTL电平控制恒流电路中输出MOS管的导通与关闭以达到调制激光的功能。

在TEC温度监测与控制部分中，激光器表面的温度信号首先通过一个温度-电压传感器转变为可采集的标准电压信号，并传送给比例电路。电压信号通过比例电路的放大与滤波后，传送给TEC驱动电路和比较电路。TEC的驱动电路将接收到的信号与基准值相比较，以驱动TEC不工作、制热或者制冷。比较电路将接收来的信号与基准值进行比较与分析，当温度超过预设的温度上下限值时，发送出一个警报信号迫使整个电源停止工作。

三、半导体激光电源的硬件连接

硬件连接主要分为两个部分，第一部分是半导体激光器部分，为激光器提供稳定的输出，同时利用TTL信号和警报信号控制电源的工作状态；第二部分是TEC驱动及警报信号产生电路，通过MAX1968控制TEC制冷或制热。

（一）半导体激光器（LASOR DIODE）

电源所提供的某一个电参量必须是稳定的，并且所携带的噪声信号越小越好。因此，系统中采用了一系列的滤波调压电路，滤除电流中所带的微小噪声，以达到稳定的小功率输出。如图2，在滤波电路中设置了两个滑动变阻器，用来调节输入到运算放大器AD820的电压信号值。其中用作粗调，用作微调，分别引出两根导线，安装手动旋钮式变阻器，调节输出恒定电流值的大小。在AD820的电路中，采用电流反馈，以达到恒流输出。

在TTL与警报信号控制电路中，信号通过4N25输入到VMOS管T092C的基极，以控制其导通或截止。光电耦合器4N25主要用来隔离前后级电路的相互影响，同时控制Q2（T092C）的导通与截止，以调节恒流输出的导通与截止。电路工作过程：当激光器工作在指定温度范围内时，警报信号为低电平，此时，若TTL信号为高电平时，U104A（DM74LS00M）的输出为低电平，则U102A（CD4001BCM）的输出为高电平，而U104B（DM74LS00M）的输出为低电平，这导致光电耦合器4N25截止，则Q2（T092C）基极为低电平，Q2截止，则AD820输出的电压值不变，使MOS管Q1（BU932RP）导通，从而输出恒定的电流值；而若TTL信号为低电平，则U104A（DM74LS00M）输出为高电平，U102A（CD4001BCM）输出为低电平，U104B（DM74LS00M）为高电平，则光电耦合器4N25导通，输出电压导致Q2基极为高电平，Q2导通，从而使AD820的输出端降为低电平，导致MOS管Q1（BU932RP）截止，则LD部分无输出。而当警报信号为高电平时，无论TTL信号为高电平或者低电平，都会导致U102A的输出端为高电平，从而使LD部分无输出。

（二）TEC驱动及报警信号产生电路

热电致冷器（TEC）是利用帕耳贴效应进行制冷或加热的半导体器件。在TEC两端加上直流工作电压会使TEC的一端发热，另一端致冷；把TEC两端的电压反向则会导致相反的热流向。本系统使用MAX1968为TEC的驱动芯片，它采用直接电流控制，消除了TEC中的浪涌电流。MAX1968单电源工作，在芯片内部的两个同步降压稳压器输出引脚之VOUT1与VOUT2之间连接TEC，能够提供±3A双极性输出。双极性工作能够实现无“死区”温度控制，以及避免了轻载电流时的非线性问题。该方案通过少许加热或制冷可避免控制系统在调整点非常接近环境工作点时的振荡。此系统中设置的基准值是3v（对应的温度值为25℃），当传感器感知的温度大于25℃时，经反向放大器放大后传输给MAX1968的电压值将小于3v，MAX1968将输出+3v的电压，驱动TEC制冷；当传感器感知的温度小于25℃时，经反向放大器放大后传输给MAX1968的电压值将大于3V，MAX1968将输出-3v的电压，驱动TEC制热。

传感器将感知的温度信号转换为电压信号，经过反向放大器传输给U2A的3管脚和U2B的2管脚，U2A和U2B是两个比较器（LM393）。在比较电路中，设置了两个极限电压值和一个基准值，上限是4.5（对应的传感器温度为0℃），下限值是1.5v（对应传感器温度为50℃），当时，U2B输出一个正向电压，二极管D2导通，警报信号为高电平，同时三极管Q3导通，蜂鸣器报警；当时，U2A输出一个正向电压，二极管D1导通，警报信号为高电平，同时三极管Q3导通，蜂鸣器报警；而时，U2A和U2B都输出反向的电压，二极管D1和D2同时截止，警报信号为低电平，三极管Q3截止，蜂鸣器不工作。

四、实验数据

（一）LD部分电路测试数据

将电源输出接到半导体激光器上，正常工作时测试结果见表1：

其中R104是阻值为0.1的瓷片电阻，恒定的电流值为其两端的电压值的数值的十倍。测试结果基本接近所设值，测试完成。

（二）警报信号电路部分调试数据

激光电源的设计要求是传感器模拟信号以25℃（对应电压为3V）为基准工作温度，标准输出2V/3A。当传感器输出电压信号高于3V时则说明激光器温度较低，需要制热，低于0℃温度时，LD部分停止工作，蜂鸣器报警；低于3V时则说明激光器温度过高，需要制冷，高于50℃温度时，LD部分停止工作，蜂鸣器报警。测试结果见表2：

从测试数据来看，该激光电源的参数，性能，指标完全满足设计需要。

五、结语

本文采用了MAX1968驱动芯片，大大减少了电路分立元件的数量，改进了系统噪声性能，增加了系统的可靠性， 有效地对激光器的工作温度进行监测与控制，电路的控制性能令人满意。电源设备可靠性的高低，不仅与电气设计，而且同元器件、结构、装配、工艺、加工质量等方面有关。可靠性是以设计为基础，在实际工程应用上，还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计，进一步提高电源的可靠性。

参考文献

[1]梁国忠，梁作亮．激光电源电路[M]．北京：兵器工业出版社，1995.

[2]陆国志．实用电源技术手册――开关电源分册[M]．沈阳：辽宁科学技术出版社，2008．

第7篇：半导体光电技术范文

关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体

1半导体材料的战略地位

上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

2几种主要半导体材料的发展现状与趋势

2.1硅材料

从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径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开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

2.2GaAs和InP单晶材料

GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。

GaAs和InP单晶的发展趋势是：

（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。

（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。

（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。

（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

2.3半导体超晶格、量子阱材料

半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。

（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基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。

虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

（2）硅基应变异质结构材料。

硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。

尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，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，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配

异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。

目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶体

光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。

4量子比特构建与材料

随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。

所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。

这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。

5发展我国半导体材料的几点建议

鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。

5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位

至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。超级秘书网

5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议

GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议

（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。

（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。

第8篇：半导体光电技术范文

Leeds, UK.

Quantum Wells, Wires

and Dots

2009, 538pp.

Paperback

ISBN: 9780470770979

John Wiley

Paul Harrison著

半导体纳米材料是纳米材料的一个重要组成部分,由于能带工程而实现的半导体超晶格、量子阱、量子线和量子点这类低维结构具有的独特物理性质,使得纳米薄膜、纳米微粒、纳米团簇、纳米量子点等所显示出的新颖的电、磁、光以及力学性质,令它们与电子学、光电子学以及通信技术、计算机技术的发展密切相关。纳米结构的电子和光子器件将成为下一代微电子和光电子器件的核心。目前它们的发展主要集中在GaN,ZnO,CdS,ZnS,Si,Ge以及碳纳米管等方面。

本书是一本关于“量子阱、量子线及量子点”的综合教科书,为熟悉固态物理的人从理论和计算两个方面讲述了如何计算半导体异质结构中电子、光子的性质及输运性质。作者采用了类似数学教科书的方法讲述了关于半导体纳米材料的各种性质,由各个示例给出标准解法并附带详细的推导过程及计算程序代码。读者可以根据这一系列推导独立验证他们自己碰到的新的理论假设并对其作出合理的解释。就像作者所说的那样――本书包含“一切”计算半导体异质结构中电子、光子的性质及输运性质的知识,读者不需要其他参考书,可以从零开始学习。

不同于前两版,本书没有附带计算机源代码光盘,但读者仍然可以从作者的网站上找到几乎全部书中所用到的相关程序的代码。此外,新版本还给出了一些新的物质属性,如散射率、电子传递、量子原子团、光波导及量子阱中的光子性质等,大约占全部相关内容的20%。

本书作者Paul Harrison目前是英国利兹大学(University of Leeds)电子与电机工程学院微波及光子研究所教授。主要从事于基于量子力学原理开发新型光电子器件的研究,其研究成果在许多工程领域都有广泛的应用。

本书适用于半导体及凝聚态物理专业的研究生,以及从事半导体纳米材料的相关理论和工业应用研究的从业人员。

靳绍巍,博士生

(中国科学院力学研究所)

第9篇：半导体光电技术范文

1.引言

近50年来，雪崩光电二极管（APD）在商业、军事和科研领域有着广泛的应用[1]。在通信领域，高速APD因为其更高的灵敏度和足够的速率被列入下一代光传输系统的规划中。在10G光接入网（IEEE 802.3av），40G和100G光以太网链接（IEEE 802.3ba）中，雪崩光电二极管被作为可采用的解决方案。此外，工作在盖革模式（Geiger Mode）下的APD，其工作在高于击穿电压而获得极高的增益和高灵敏度，从而被作为微弱信号探测并投入产业化，其相关技术已非常成熟。近年来，随着量子保密通信[2]的兴起，APD作为可选的单光子探测器方案，在成熟的产业制备技术的支持下，其在量子保密通信的研发也方兴未艾。本文从APD在各个方面应用的专利分布对APD的发展趋势及现状进行分析。

2.APD专利发展趋势分析

图1为APD国内外专利申请趋势图，国外专利在申请量上较国内有绝对的优势，该申请趋势图中未包含1990年以前申请的专利，但必须提到，在上世纪70年代左右由于激光测距和激光雷达的兴起[3]，APD作为其关键器件之一，其研究和产业化出现了迅速的提升并于90年代逐渐下滑，该时期的专利申请量也从反映出了该发展趋势。紧接着，随着光通信产业的兴起，APD作为PON技术的接收机解决方案，依托于半导体材料生长技术的不断进步，对APD外延层结构的改进逐渐兴起，使其满足高速高灵敏度需求，该阶段APD相关专利的申请量出现了稳步的提升。技术主题上，材料从硅到III-V族材料、磷化铟、铟铝砷、碲镉汞、锑化物等，结构从吸收倍增分离，引入渐变层、纳米尺度的多层复杂结构等，随着研究的不断深入，APD的发展进入新的瓶颈期，从而其申请量于近些年出现了滑落。

从国内外研究的方向来看，图2为根据专利的分类号做出的发展主题的统计分析图。根据该图，APD的专利发明点可分为三大类：APD的器件结构，APD的外部电路、光路，以及将APD在其他领域的应用。其中跟APD的器件结构相关的分类号有H01L，该分类号涉及半导体器件；Y10S则涉及半导体工艺，如电极制作、表面钝化处理等；B82Y与外延层纳米结构相关；Y02E则涉及半导体材料，H01S则为将APD作为激光器的背光探测器。H03F涉及将雪崩效应转用至放大器中，H01J则是将半导体雪崩效应与电子管在器件层面上的结合，实现两级放大。跟APD外部电路、光路相关的有H04N，其涉及阵列APD生成图像以及阵列信号的读取；G01R涉及APD的芯片测试；G01J、G02B和G02F则涉及APD单片集成波导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涉及盖革模式下的门信号脉冲技术。跟APD应用相关的有H04B，其涉及通信传输领域，以及与其密切相关的H04Q、H04J，其将APD与波分复用器件单片集成；G01T与G01S涉及将APD作为激光雷达的探测器，G01C为APD作为激光测距的探测器；G01N、C12Q、C12M则采用APD进行酶或者微生物的测量，如对材料的拉曼光谱、荧光光谱的探测；A61B涉及APD作为层析X射线扫描的探测器；G01K涉及APD作为光纤温度传感器的探测器。

总的来看，APD器件上的创新为其主要的发明点，而相比于国外申请，国内申请更偏向于APD的应用方面，这主要还是因为国内在半导体工艺技术方面还明显的滞后于国外。而在外部电路、光路的设计上，虽然国外有较为深厚的技术积累，但国内在部分技术领域上已经有所突破。从图3的国内外APD专利申请人分布上来看，国内申请前三均为日本公司，随后为中科院半导体所、中山大学，而已将APD产业化的武汉通信器件公司在国内申请中也占有一席之地。此外，根据图4可以看出日本在世界范围内的半导体技术优势。

3.单光子探测器专利申请分析

APD技术的最新热门应用当属于单光子探测，在“棱镜门”曝光之后，保密通信成为进入了公众视野。目前，研发中单光子探测器有许多种，包括碳纳米管（CNT），超导纳米线（SNSPD）[4]，光电倍增管（PMT）[5]等，其中较为热门且具有产业应用前景的为，光电倍增管、超导纳米线以及单光子雪崩光电二极管（SPADs）。而在这3种单光子探测器中，单光子雪崩光电二极管的偏置电压，工作温度方面要求都比较低，在探测效率，时间抖动，暗计数等方面有显著地优势。其中，硅基 SPADs因其成熟的研究和良好的工艺制造技术，器件性能优于InGaAs/InP SPADs，但仅适于小于1.1um的波长；而InGaAs/InP SPADs能够在红外波段探测，在红外单光子领域特别是通信有着重要的作用。

由图4可以看出，PMT技术由于其体积大、所需偏置电压高等原因正在逐渐被淘汰，而用于量子通信的APD技术在2000年至2014年期间处于稳定的增长期，随后由于研究深入技术成熟而开始滑落。而SNSPD技术则于2008年出现，其申请量逐步提升，此外于2016年8月16日发射的“墨子号”量子科学实验卫星其地面端接收系统则采用了超导纳米线技术，该技术作为前沿技术，其优势在于在量子效率上要远高于APD与PMT，且光谱范围宽、低噪声，而其劣势暗计数方面也在不断改进。但是SNSPD对制冷设备要求高且成本巨大，从而限制了其大规模产业化。所以，APD技术在民用保密通信的产业化上仍具有巨大优势和潜力。

4.总结

雪崩光电二极管技术历经半个多世纪的积累，其器件的研发、应用和成本的控制也日趋成熟，其专利的申请趋势随着相关技术的革新出现了数次峰值，然而其作为通信用单光子探测器，其产业化的路上还有很多技术问题亟待解决，可以预见的是，在不久的将来雪崩光电二极管将会因其低成本的特点出现在民用保密通信产品中。

参考文献

[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.