光电子器件的应用与发展

光电子器件的应用与发展

【摘要】光电子技术作为微电子技术一种发展，在社会生产实践中已经发挥着越来越重要的作用，突出的表现集中在信息和能源两大领域。而这两大领域的发展又极大地推动了人类社会的发展。

【关键词】继承电子信息时代的延续瓶颈光信息时代

【引言】

自光电效应发现以来，光与电之间的转换就变为了可能。而光电子器件则是在微电子技术的基础上发展起来的一种实现光与电之间互相转换的器件，这一类半导体电子器件在广泛的社会生产实践中已经开始逐步发挥它们的越来越大的效用。我们在这里简单地回顾一下半导体光电器件在过去的发展，并对光电器件可能的发展方向进行展望。

【正文】

一、简单的光电效应理论

（Ⅰ）光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。

金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。这种解释为爱因斯坦所提出。光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用，在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应(Photoelectric effect)。光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏打效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关 ,光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。

（Ⅱ）爱因斯坦光电方程

hυ=(1/2)mv^2+I+W 式中(1/2)mv^2是脱出物体的光电子的初动能。金属内部有大量的自由电子，这是金属的特征，因而对于金属来说，I项可以略去，爱因斯坦方程成为hυ=(1/2)mv^2+W 假如hυ

的能量+ 被发射的电子的动能代数形式：hf=φ+Em φ=hf0 Em=(1/2)mv^2 其中h 是普朗克常数，h = 6.63 ×10^-34 J·s，f是入射光子的频率，φ是功函数，从电子键结中移出一个电子所需的最小能量， f0是光电效应发生的阀值频率， Em 是被射出的电子的最大动能， m是被发射电子的静止质量， v是被发射电子的速度，注：如果光子的能量（hf）不大于功函数（φ），就不会有电子射出。功函数有时又以W标记。这个算式与观察不符时（即没有射出电子或电子动能小于预期），可能是因为系统没有完全的效率，某些能量变成热能或辐射而失去了。

二、光电子器件主要功能及技术基础

（Ⅰ）新型光电子材料及相关基础材料、关键设备和特种光电子器件

1、光电子基础材料、生长源和关键设备

研究目标：突破新型生长源关键制备技术，掌握相关的检测技术；突破半导体光电子器件的基础材料制备技术，实现产业化。

研究内容及主要指标：

1) 高纯四氯化硅(4N)的纯化技术和规模化生产技术(B类，要求企业负责并有配套投入)

2) 高纯(6N)三甲基铟规模化生产技术(B类，要求企业负责并有配套投入)

3) 可协变(Compliant)衬底关键技术(A类)

4) 衬底材料制备与加工技术(B类)

重点研究开发外延用蓝宝石、GaN、SiC等衬底材料的高标抛光产业化技术（Epi-ready级）；大尺寸（>2"）蓝宝石衬底材料制备技术和产业化关键技术。蓝宝石基GaN器件芯片切割技术。

5) 用于平板显示的光电子基础材料与关键设备技术(A类)

大面积(对角线>14〃)的定向排列碳纳米管或纳米棒薄膜生长的关键技术; 等离子体平板显示用的新型高效荧光粉的关键技术。

2、人工晶体和全固态激光器技术

研究目标：研究探索新型人工晶体材料与应用技术，突破人工晶体的产业化关键技术，研制大功率全固态激光器，解决产业化关键技术问题。

研究内容及主要指标：

1) 新型深紫外非线性光学晶体材料和全固态激光器(A类);

2) 面向光子/声子应用的人工微结构晶体材料与器件 (A类);

3) 研究开发瓦级红、蓝全固态激光器产业化技术(B类)，高损伤阈值光学镀膜关键技术(B 类)，基于全固态激光器的全色显示技术(A类);

4) 研究开发大功率半导体激光器阵列光纤耦合模块产业化技术(B类);

5) Yb系列激光晶体技术(A类)。

3、新型半导体材料与光电子器件技术

研究目标：重点研究自组装半导体量子点、ZnO晶体和低维量子结构、窄禁带氮化物等新型半导体材料及光电子器件技术。

研究内容及主要指标：

1) 研究ZnO晶体、低维量子结构材料技术，研制短波长光电子器件 (A类)

2) 自组装量子点激光器技术 (A类)

3) Ⅲ-Ⅴ族窄禁带氮化物材料及器件技术(A类)

4) 光泵浦外腔式面发射半导体激光器(A类)

4、光电子材料与器件产业化质量控制技术(A类)

研究目标：发展人工晶体与全固态激光器、GaN基材料及器件表征评价技术，解决产业化质量控制关键技术。

研究内容：重点研究人工晶体与全固态激光器、GaN基材料及器件质量监测新方法与新技术，相关产品测试条件与数据标准化研究。

5、光电子材料与器件的微观结构设计与性能预测研究(A类)

研究目标：提出光电子新材料、新器件的构思，为原始创新提供理论概念与设计

研究内容：针对光电子技术的发展需求，结合本主题的研制任务，采用建立分析模型、进行计算机模拟，在不同尺度（从原子、分子到纳米、介观及宏观）范围内，阐明材料性能与微观结构的关系，以利性能、结构及工艺的优化。解释材料制备实验中的新现象和问题，预测新结构、新性能，预报新效应，以利材料研制的创新。低维量子结构材料新型表征评价技术和设备。

（Ⅱ）通信用光电子材料、器件与集成技术

1、集成光电子芯片和模块技术

研究目标：突破并掌握用于光电集成(OEIC)、光子集成(PIC)与微光电机械(MOEMS)方面的材料和芯片的关键工艺技术，以典型器件的研制带动研究开发工艺平台的建设和完善，探索集成光电子系统设计和工艺制造协调发展的途径，促进芯片、模块和组件的产业化。

研究内容及主要指标：

1) 光电集成芯片技术

2)速率在2.5Gb/s以上的长波长单片集成光发射机芯片及模块关键技术(A类)

3) 高速 Si基单片集成光接收机芯片及模块关键技术(A类)

4) 基于平面集成光波导技术的OADM芯片及模块关键技术(A类)

5) 平面光波导器件的自动化耦合封装关键技术(B类)

6) 基于微光电机械(MOEMS)芯片技术的8′8以上阵列光开关关键技术(A类)

7) 光电子芯片与集成系统(Integrated System)的无生产线设计技术研究(A类)

2、通信光电子关键器件技术

研究目标：针对干线高速通信系统和密集波分复用系统、全光网络以及光接入网系统的需要，重点进行一批技术含量高、市场前景广阔的目标产品和单元技术的研究开发，迅速促进相应产品系列的形成和规模化生产，显著提高我国通信光电子关键器件产业的综合竞争能力。研究内容及主要指标：

1) 速率在10Gb/s以上的高速光探测器组件(PIN-TIA) 目标产品和规模化生产技术，直接调制DFB-LD目标产品和规模化生产技术，光转发器(Transponder)目标产品和规模化生产技术；(均为B类，要求企业负责并有配套投入)

2) 40通道、0.8nm间隔EDFA动态增益均衡关键技术(A类)；

3) InGaNAs高性能激光器研究(A类)；

4) 光波长变换器关键技术和目标产品(B类)；

5) 可调谐激光器目标产品(A类)；

6) 用于无源光网络(EPON)的突发式光收发模块关键技术和目标产品(B类)。

3、光纤制造新技术及新型光纤

研究目标：研究开发并掌握具有自主知识产权的光纤预制棒制造技术；研究开发新一代通信光纤，推动光纤通信系统在高速、大容量骨干网以及接入网中的应用。

研究内容和主要指标：

1) 光纤预制棒制造新技术(B类，要求企业负责并有配套投入)；

2) 新型特种光纤(A类)。

（Ⅲ）面向信息获取、处理、利用的光电子材料与器件

1．GaN材料和器件技术

研究目标：重点突破用于蓝光激光器衬底的GaN体单晶生长技术。

研究内容及主要指标：

大面积、高质量GaN体单晶生长技术。

2、超高亮度全色显示材料与器件应用技术

研究目标：研究开发用于场致电子发射平板显示器（FED）材料和器件结构，以及超高亮度冷阴极发光管制作和应用的关键技术。

说明：等离子体平板显示器和高亮度、长寿命有机发光器件（OLED）和FED的产业化关键技术将于"平板显示专项"中考虑。

研究内容及主要指标：

1) 超高亮度冷阴极发光管制作和应用的关键技术(A类);

2) 研制FED用的、能够在低电压下工作的新型冷阴极电子源结构、新型冷阴极电子发射材料(A类)。

3、超高密度光存储材料与器件技术

研究目标：发展具有自主知识产权的超高密度、大容量、高速度光存储材料和技术，达到国际先进水平，为发展超高密度光存储产业打下基础。

研究内容及主要指标：

1) DVD光头用光源和非球面透镜等产业化关键技术(B类)；

2) 新型近场光存储材料和器件(A类)。

4、光传感材料与器件技术

研究目标：以特殊环境应用为目的，实现传感元器件的产业化技术开发；研究开发新型光电传感器。

研究内容及主要指标：

1) 光纤光栅温度、压力、振动传感器的产业化技术(B类，要求企业负责并有配套投入);

2) 锑化物半导体材料及室温无制冷红外焦平面探测器技术(A类);

3) 大气监测用高灵敏红外探测器及其列阵(A类) ;

4) 基于新概念、新原理的光电探测技术(A类);

5、新型有机光电子材料及器件

研究目标：研究开发新型有机半导体材料及其在光显示等领域的应用。

研究内容及主要指标：

1) 有机非线性光学材料及其在全光光开关中的应用(A类);

2) 有机半导体薄膜晶体管材料与器件技术(A类)。

三、光电器件目前的应用

（Ⅰ）在信息储存领域的应用

我们现在大部分主干网用的都是光纤，信息的载体都是光。由于密集波分复用技术的发展，一根头发丝粗细的光纤就可以传输一亿门电话线路。这是电缆无法比拟的。再如信息存储技术，光盘由VCD发展到DVD，容量增大了好几倍，未来如果研制出能够商用的蓝光激光器，采用蓝光波段的光来作为信息的载体，就又可以使同样大小的光盘的容量增大近十倍。而且光具有相干性，可以实现全息存储，在不到一个平方厘米的芯片上，我们可以把北京图书馆的所有的书都存进去。在计算机方面，未来的发展趋势是光要进入计算机中，发挥光子的优势实现开关的互联，利用光来消除电子传输带来的瓶颈效应。

（Ⅱ）发光器领域的应用

在光盘技术的促进下，近年来可见光半导体激光二极管和发光二级管得到了较快的发展。蓝绿光可见光半导体激光二级管（LD）和蓝绿光半导体发光二极管、黄橙红光可见光激光二极管和高亮度黄橙红绿光发光二极管都已商品化。今后的发展需要继续解决提高亮度，降低价格，提高使用寿命等问题。

近红外半导体激光和发光二极管的发射波长为0.8~1.0μm。近红外半导体激光二极管主要用于光纤通信和作为固体激光器的泵浦源（替代闪光灯泵浦源）。在1.3μm和1.55μm 近红外半导体激光二极管商品化之后，其发展势头受到很大影响，甚至出现了停止发展的迹象。随着短距离局域网和二极管泵浦固体激光器的迅猛发展，又出现了新的发展。目前研究开发主要集中在单频工作、模式稳定以及提高输出功率等方面。近红外发光二极管主要有超发光二极管和谐振腔发光二极管。超发光二极管是光纤陀螺仪的最佳自选光源，与一般的发光二极管相比，可提供较高的输出功率和相对窄的发射谱。目前，在50mA工作电流下，单管超辐射输出功率的研究水平最高达到50MW，最窄谱宽为15nm。谐振腔发光二极管是一种有前途的发光二极管，其实验和理论效率比传统发光二极管高5~10倍。

1.3μm和1.55μm近红外半导体激光和发光二极管是现行通信系统、高速光纤通信系统的重要光器件，已成为广为研究开发的光源。日本NEC已开发出在单晶片上制造不同发射波长的近红外激光二极管，采用它可大大降低多波长长途通信设备的价格。近年来，国外又相继开发出半导体孤子激光器、量子阱线或点激光器和垂直腔表面发射激光器等新型半导体激光二极管。

作为光电子主导产品的激光器的发展，经历了原理上的四次变革，体积日益变小，功率不断增大，可靠性和功率得到了很大的提高。半导体二级管激光器和固体激光器技术和发展十分迅速，其中最为突出的进展是固态化。现今，固体激光器的平均输出功率已从百瓦级提高到了千瓦级。半导体激光器的功率也有很大提高，其结构和其他性能也正在经历重大变化。与此同时，还开发出了实用价值高的新波长和宽带可调谐激光器，包括对人眼无伤害的1.54μm和2μm的激光器、蓝光激光器和X光激光器。

（Ⅲ）在信息通讯领域的应用

光纤是随着光通信的发展而不断发展的，各种结构和类型的光纤支持着光通信产业的发展。目前，单根光纤传输的信息量已达到万亿位。光纤作为光通信信息传输的介质，它的色散和损耗将直接影响到通信系统的传输容量和中继距离，而常规的单模光纤已不能满足新一代通信技术的要求，因此光纤技术又有了新的发展。迄今，光纤已经经历了由短波长（0.85

μm）到长波长（1.3~1.55μm），由多模到单模光纤以及特种光纤的发展过程，并开发出了色散移位光纤、非零色散光纤和色散补偿光纤。

（Ⅳ）在显示领域的应用

平板显示（FPD）技术包括液晶显示（LCD）、等离子体显示（PDP）、电致发光显示（EL）、真空荧光显示（VFD）和发光二极管显示（LED）等，除在民用领域的广泛应用外，已在虚拟显示、高清晰度显示、语言和图形识别等军用领域应用。近年来，液晶显示以及其他平板显示器件和技术正在大力地改进，如为解决等离子体显示发光效率、亮度、寿命、光串扰和对比度等问题，正在进行诸如大面积精细图形制作和保护层等工艺方面的改进，并取得了较快进展。从整体来说，平板显示技术将继续向着彩色化、高分辨率、高亮度、高可靠、高成品率和廉价方向发展。

（Ⅴ）在探测领域的应用

随着半导体技术的迅速发展，各种类型的光电探测器，如电荷耦合器件、光位置敏感器件、光敏阵列探测器等应运而生，取得了重大进展。进入90年代，光电探测器的发展方向除了开发高速响应光电探测器外，其重点是开发焦平面阵列为代表的光电成像器件。红外焦平面阵列制作技术的日臻完善，使红外探测技术进入了第二代。

四、光电器件发展展望

光电器件的发展时间虽然很短，但是成效却非常显著，在通信、能源等领域表现出了极大的优越性。这些优越性归结起来主要是因为光本身具有很多优越的性能而电是不具有的。其中比如较大的信息载量，较好的能量输送效果等。当这些特点进行优化组合的时候就能有很多意想不到的效果。

在未来光电器件进一步的发展过程中，这些优势会继续扩大。

（Ⅰ）在信息通信领域

光纤的地位已经得到了实践的充分肯定，作为一种信息载体，光信号无论是信息载量还是传输效果要远远好于电信号，光缆取代电缆已经成了一种不可逆转的趋势。国家应当在目前的光纤网的基础上进一步加大光纤的铺设力度，全面取代电缆。而在这个方向上，新的MEMS技术的发展使得光通讯在技术上可行性更加发展了一步，随着大批量生产成为可能，光纤通信技术将由原来简单的远程通讯逐渐进入各个单位，公司，办公室，甚至各个家庭。

此外光通讯将不仅仅应用在民用通讯领域，在其他的一些特殊的通讯领域也将发挥很大的作用，如在核反应堆的信息控制领域，在强磁场环境下的通讯领域等，光通讯因为其信号的稳定性可以有效地保持通讯，使信息传递畅通。在这一基础上有一些新的功能单元开发了出来，并且投入到了应用中。

（Ⅱ）在信息处理领域

由于单纯的微电子技术已经很难再获得更大的运算速度上的突破，所以结合光电转换技术的光电子集成电路必将获得极大的发展。随着光通信、光信息处理、光计算等技术的发展，加之材料科学和制造技术的进展，使得在单一结构或单片衬底上集成光学、光电和电子元器件成为可能，形成具有单一功能或多功能的光电子集成回路（OEIC）和集成光路（IOC）。目前，商品化的集成光路产品有调制器、开关和分路器以及采用集成光路相干通信系统、光纤陀螺、激光光纤多普勒干涉仪等系统，以及用于光纤传输试验的单片集成光电子集成回路。预计到2020年，光电子集成回路和集成光路的发展速度将相当于20世纪70年代的微电子技术，多功能集成光学器件和光电子集成器件将系列化，集成光学信号处理速度将达到1GHz。

（Ⅲ）而在能量传输领域

能量传送的损失始终是一大问题，高压线输电等方式的输电效率在短时间内很难获得大的突破，而传统的火车运输等效率更低。而依靠光电转换技术的光能传输技术因为其具有传输效率高等特点使得这种能量运输技术在一些局部的地区甚至更大范围内代替高压电缆输电技术，来实现能量的传送。

此外，由于新的MEMS技术的发展，对光能的传输可以实现智能控制，这样可以进一步减少在传输过程中产生的损失。

（Ⅳ）能量转化领域

除了减少损失，人类还在不断开辟新的能源。太阳能作为一种清洁度很高的能源无疑是一个很好的选择，不断开发出来的太阳能转化电池可以为一些单独工作的元器件功能，比如说卫星，空间运输器等。

（Ⅴ）探测领域

以红外焦平面阵列开发为主，一是在现有基础上提高分辨率，二是开发多功能和智能化焦平面阵列。当前，使其进一步发展和普及的主要问题是成本问题。通过规模化生产和技术升级可以较为有效地降低成本，使其可以有进一步的发展。

此外在传感领域也有很多的应用，如现在的CCD图像传感器。固态图像传感器与普通图像传感器相比,具有体积小、失真小、灵敏度高、抗振动、耐潮湿、成本低等许多优点,因此可以被广泛应用于工业测量、控制,尤其是在图像识别等领域,并将广泛渗透于我国的工农业生产的各个部门,为我国的精细加工、机器人技术以及工业自动化领域的发展起重大作用。（Ⅳ）激光技术

激光技术具有广泛的应用价值。在半导体光电技术发展的推动下激光技术得到了长足的发展。而激光技术的发展则在推动探测，通信，医学，能源，国防等领域的发展起到了很大的作用，使这些领域的发展有了更多的可以依靠的工具。

（Ⅵ）目前面临的一些瓶颈

1、成本问题。由电子技术向光电技术过渡再向光技术过渡将需要大量的初期投入，而成本的投入伴随着极大的风险,相关决策者能否做出正确的决策将极大地影响相关技术的发展。

2、原有技术淘汰带来的社会问题。虽然在很长的一段时间内，新技术和旧技术将以并存的形式存在，但是这个时间段内旧技术终究会被逐步淘汰，对旧技术的大量前期投入将失去效用，大量依赖旧技术生存的公司和人员将不得不转行另谋生路，这些问题使得新技术改革将面临重重阻力，英国在一战前对待新机床的态度就是一个很好的实例。

3、技术改革的一些瓶颈。新技术改革不仅需要这一个行业的技术革新，在材料，智能控制等方面都有很高的要求。而其中的一些技术发展缓慢也将制约光电技术和光技术的发展。

（Ⅶ）尽管有上述问题，但是与新技术带来的好处相比，这些问题终究会被克服的，很对技术瓶颈目前已经得到了解决，如在光纤中应用的LTCC陶瓷技术。光电子技术和其他各个领域的技术同时发展，互为基础，互相促进。总的来说光电技术的发展将会成为未来各个学科领域发展的一个重要的推动力量。

【参考文献】

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张耀辉：光通信以高速化跟进全业务运营时代（《通信世界》2008/39）王传声；何金奇：光纤通信模块中的厚膜电路与LTCC陶瓷技术（《世界产品与技术》）陈东雷;王清元;张天顺：CCD传感器及其应用研究（《传感器世界》2007/07）