半导体光电技术范文

半导体光电技术篇1

半导体照明是最近两三年内，世界各国探讨最多的照明项目之一。如果世界上一半的白炽灯和荧光灯用半导体灯代替，如果半导体灯的价格能降至普通消费者的消费水平，那这个世界不会再为电力紧张而发愁。那么半导体灯何时才能进入寻常百姓家呢？ 近年来，世界三大照明工业巨头——通用电气、飞利浦、奥斯拉姆纷纷与半导体公司结合，组建半导体照明公司。日本、美国、韩国、欧盟等也相继推出国家半导体照明计划。 顺应世界高新技术产业发展这一潮流，我国国家半导体照明工程协调领导小组也早已成立，科技部会同信息产业部、建设部、教育部、中国轻工业联合会、中国科学院等行业和地方，开始启动半导体照明工程。 神奇的半导体灯 半导体技术继引发了第一场产业革命——微电子革命后，正孕育一场新的革命——照明革命。随着第三代半导体材料氮化镓的出现，半导体技术正向人类奉献出又一成果：用半导体发光二极管（LED）作为新光源的固态照明——半导体灯，取代传统白炽灯和荧光灯。 国家半导体照明工程协调领导小组组长李健列举了两个数字：同样亮度下，电能消耗仅为白炽灯的1／10，而寿命则是白炽灯的100倍。“100倍是个什么概念呢？以一天点6小时计算，一盏灯就可用50年，你一辈子也用不了两盏灯。” 由于半导体灯具有节能、长寿命、免维护、易控制、环保等优点，所以业内人士普遍认为，如同半导体晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统灯也是大势所趋。荧光灯解决不了频闪问题，半导体灯却不存在，是真正意义上的“绿色照明”。 对于半导体灯来说，红光、黄光灯是低端产品，这种灯目前已实现批量生产，其中我国的生产成本最有竞争力，已用于道路照明、装饰等特种照明。低成本、高亮度、大功率的白光灯才是高端产品。美国最新开发出5瓦的白光灯，我国则可生产1．5瓦白光灯。但价格都太高，是白炽灯的十几倍。因此，日本、美国、欧盟等启动的半导体照明计划，主攻方向之一就是降低造价。他们提出的让半导体灯大规模替代白炽灯的时间表，大致在2006年和2007年。 美国能源部计划，到2010年前后，用半导体灯代替55％的白炽灯和荧光灯，每年可节约350亿美元。据测算，7年后仅在美国，半导体照明就可形成一个500亿美元的大产业。 四大基地争锋半导体民用照明 当厦门市政府副秘书长林守章前不久从科技部高新技术司领导的手中接过国家半导体照明产业基地的牌子时，意味着厦门与上海、南昌、大连一起成为国家四大半导体照明基地。 厦门“光源岛”计划提出，到2010年形成300亿元的产业规模，总投资将达到100亿元。江西南昌提出，通过5—7年的努力，基地达到年产值100亿元的经济规模。上海预测，到2010年实现销售100亿～120亿元，出口创汇3－5亿美元。上海将因此成为我国LED与光电子产业示范区、半导体灯产业技术创新示范区和产业集聚区。大连则宣称，将以民办官助的开发模式，争取在2至3年内把大连光电产业园建成中国乃至世界知名的光电产业基地，大连市政府还成立了“大连光电产业园”和“大连半导体照明工程基地”领导小组。 国家半导体照明工程协调办公室副主任吴玲指出，与国际先进水平相比，现在中国半导体照明技术落后三到五年，差距不是太大，以中国现有的技术基础和产业基础，有望通过阶段性的整体推进，最终形成有核心竞争力的中国半导体照明产业。 巨大的机遇 “我国发展半导体照明产业的机遇很好。”李健分析了几大有利条件。 第一，中国拥有巨大的照明工业和照明市场。我国现在是世界上第一大照明电器生产国和第二大照明电器出口国。美国的年照明用电为6000亿千瓦时，约占用电总量的20％。我国人口5倍于美国，目前年照明用电才2000亿千瓦时，仅为美国的1／3，占全国用电总量的12％。这意味着照明工业在我国有着巨大的发展空间。全面建设小康社会，广大群众对新型照明更是有着旺盛的需求。 第二，我国在这个领域已具备一定的技术和产业基础。我国自主研制的第一个发光二极管，比世界上第一个发光二极管只晚几个月。专家认为，从总体上看，目前我国半导体发光二极管产业的技术水平与发达国家只相差3年左右。我国已初步形成从外延片生产、芯片制备、器件封装到集成应用的比较完整的产业链。尤其是封装已在国际市场上占有相当大的份额，我国生产的红光、黄光半导体灯在全球最有竞争力，优势就在于封装。 第三，半导体照明产业是一个技术密集型加劳动密集型产业，比较适合我们的国情，其风险和难度都低于微电子产业。 李健强调：“这样好的机遇我们必须紧紧抓住”。

半导体光电技术篇2

2009年推进情况

领导重视,半导体照明应用推广工作扎实开展。市政府建立了“十城万盏”半导体照明应用专项资金,连续3年每年拿出1000万元列入财政预算,专门用于“十城万盏”半导体照明试点城市建设。同时,为配合“十城万盏”试点工作的开展,河北省科技厅将“保定市半导体照明应用科技示范工程”项目列为09年重大项目,给与资金支持300万元。

成立了保定市半导体照明产业联盟,来共同攻克产业中的技术难题,推广新的技术成果。今年联盟组织了光伏LED企业参加了上海国际光伏展和深圳十城万盏成果展,参展企业对外得到了宣传,也了解和学习了同行业的先进技术。高新区创业中心正在策划建立光伏及LED展厅。

主要建设领域半导体照明推广应用成果显著。市区内累计完成24条路段太阳能LED路灯应用改造,投资1400万元,共安装LED路灯1357盏基,09年完成了5条道路的改造,安装56WLED路灯707盏基。高新区投资1100万元,改造完成光伏LED庭院灯259盏、景观灯55盏、草坪灯106盏、交通信号灯7组、太阳能大功率LED路灯(包括光电互补)990盏、LED高杆灯2盏。生活小区共设计安装、改造LED路灯、太阳能庭院灯、LED楼梯灯等约 7130 盏。交通信号灯:市区内今年新建了7个交通路口太阳能信号灯并完成了55个路通信号灯的光电互补改造工程。公共场所太阳能应用:在军校广场、人民广场等地安装太阳能LED灯2565基。累计完成了22处景区太阳能LED应用改造,安装了600多盏太阳能LED路灯、庭院灯、景观灯。

积极与企业合作,共同建设半导体照明产品检测平台。2009年初,保定积极与保定市大正太阳能光电设备制造有限公司进行了沟通,委托企业建立半导体照明产品检测中心。检测中心于2009年4月成立,依托保定市科技局和保定市新能源产业联盟,服务于“十城万盏”示范项目的内部检测,现正在办理国内检测资质认定工作。

检测中心可开展半导体照明及光电产品的电学性能、光学性能、温度和寿命等技术指标的检测工作。

目前,半导体照明产品按照中华人民共和国国家标准《道路照明LED灯》(送审稿)和国家半导体照明工程研发及产业联盟推荐性技术规范的半导体照明试点示范工程《LED道路照明产品技术规范》进行检测。

光伏LED产业健康发展,企业自主创新能力增强。保定市光伏LED企业在近几年内取得了一系列技术创新与产业化方面的突破,企业规模日益壮大,配套产业不断跟进,产业链日益延伸,市场范围越来越广,已形成以保定为中心向河北省乃至全国辐射的市场范围,有些产品甚至出口到欧美、非洲及东南亚地区。

功率型白光封装技术有较大突破。保定赛能光电技术公司生产的大功率LED 发光管,具有散热性好、节能效率高、寿命长、以蓝光为基础激发白光、透光均匀、出光角度大等特性,从而保证了LED光源的质量。

在半导体照明应用产品的系统技术集成开发方面有了较大进展,新品层出不穷,产品种类更加广泛。例如:格林光电公司的空气对流式大功率LED路灯灯具,拥有多项技术创新点,设计新颖,通过一年多的实地检测,产品性能稳定。该产品已经通过了国家路灯灯具质量监督检验中心的全方位检测。目前,该产品已通过专家鉴定,现已出口伊朗和西班牙,与美国公司达成了意向合同。

格林光电、世纪星光、阳光盛源、大正太阳能、腾辉光电以及光谱电子等大功率LED路灯系列产品已通过部级光源检测机构权威认证,并实现了量产,经过系列照明工程应用,产品质量稳定,性能达到照明需求,已进入大规模推广应用阶段。这些企业生产的LED应用领域越来越广泛,产品种类越来越多,从信号指示、智能显示、汽车灯具、景观照明到特殊照明领域,诸如功率型LED台灯、汽车灯、LED饰品,功率型LED太阳能小路灯、大功率LED庭院灯、30瓦到200瓦大功率LED路灯,LED交通信号灯指示灯、LED航空障碍灯、大功率LED高杆灯照明灯组、LED各种警示灯、LED灯箱标识、加油站用防爆光源、地下停车场用LED光源以及室内各类多种LED照明灯具等,达上百余种产品。

目前,保定市光伏LED高新技术企业8家,高新技术产品几十项,申请专利上百项,科技成果三十多项,大多数产品经过国家电光源检测中心检测,在太阳能供电LED路灯(庭院灯)系统、专用LED光源控制器、LED路灯照明光源设计、大功率LED的散热技术、恒流驱动电源技术以及路面照明配光技术、灯杆内蓄电池专用防盗技术、室内LED照明应用技术等方面都有较深入的研究,取得了显著成就,为太阳能供电的LED路灯(庭院灯)照明系统、大功率LED路灯及室内LED照明推广应用奠定了深厚的基础。总之,保定市光伏LED产业已形成了集群优势,在保定市新能源产业中占有举足轻重的地位。

半导体照明企业投入大量财力、人力、物力不断进行技术研发和技术创新,并积极与清华大学、北京航空航天大学、复旦大学、华北电力大学、中山大学太阳能技术研究所、上海航天局等国内知名科研院所开展技术合作,为半导体产业的发展提供了人才保障和智力支持。

2010年工作重点

主要目标:到2011年,推广约5万盏LED市政照明灯具,应用在道路、机关、学校、地下停车场、加油站、城市景观、旅游景区等地点,实现年节电800万度以上,年节约维护成本600万元以上。

实施进度及重点工程:

园林、广场太阳能LED应用。2010年9月底前完成市区所有小游园太阳能LED应用改造;

城市道路照明太阳能LED应用。2010年基本完成市区内道路照明太阳能LED应用改造,主要工程:城市主次干道更换节能光源预计6100套,支路安装更换太阳能路灯预计760套,小街巷路灯改造1511套。2011年底实现太阳能路灯照明及节能光源更换达100%。

交通信号灯太阳能LED应用。2010年底前新建6处太阳能交通信号灯工程。

半导体光电技术篇3

素有“光电第一城”之称的潍坊高新区，目前有歌尔声学股份有限公司LED背光模块产业化项目、山东亿能光学仪器股份有限公司、光电精密仪器等16个项目入选国家火炬计划。园区光电子企业浪潮华光的半导体激光器技术水平、LD性能指标达到国际国内领先水平，产销量居国内前列。其中，红光LED芯片的市场占有率达到25%，居国内首位。目前该公司已申请专利74项，获得55项发明专利，7项成果达到国际先进水平。随着扶持力度不断加大、产业特色日趋鲜明、创新体系不断完善，潍坊高新区光电产业“集团军”已强势崛起。

2011年11月，潍坊市光电产业集群入选科技部首批创新型产业集群建设工程试点初选名单。

产业基础良好

潍坊地处山东半岛中部，是中国沿海开放城市，享有中国“电子城”、“动力城”的美誉。近年来，潍坊市全力抢抓山东半岛蓝色经济区和黄河三角洲高效生态经济区两大国家战略叠加的机遇，按照“立足基础、聚焦目标、集中资源、重点突破”的原则，着力发展战略性新兴产业，半导体发光产业异军突起。

作为潍坊市半导体发光产业集群的主要承担者——潍坊高新区，是国务院首批设立的国家高新区之一。目前，潍坊高新区新装备、新光源、新能源汽车、新信息、新能源、新医药等新兴高端产业呈现良好发展势头，产值占工业总产值的比重达到64%，已有40家企业的主导产品占全国细分市场30%以上，65家企业参与行业标准制定或拥有知名品牌，承办了全国“十城万盏”半导体照明应用工程试点启动仪式和中国生物医药产业创新发展论坛，创建动力机械、半导体照明、光电、电声器件、创新药物5个部级和13个省级产业化基地。

近年来，潍坊高新区在完善提升光电园、生物园、软件园的同时，正在规划建设光电产业加速区、潍柴动力工业园、歌尔光电产业园、福田工业园、生物医药产业加速区、先进制造产业园、半导体发光产业园等7个重点园区，推进半导体发光、装备制造、电声器件、软件与信息服务、生物医药等特色产业集群建设。

2011年，潍坊高新区新兴高端产业发展“63513”工程被山东省政府确定为山东省新兴产业发展示范工程。目前，潍坊高新区共拥有企业4000多家，其中7个上市公司、8支股票。拥有半导体发光及配套企业200多家，其中科技型中小企业140多家、高新技术企业25家，形成以浪潮华光、歌尔、中微光电子等骨干企业为代表的半导体发光产业集群。集群内企业累计获得授权专利600余件，其中发明专利166件，先后承担2个国家科技支撑计划项目、5个国家863计划项目、6个省自主创新成果转化重大专项。

创新服务体系完善

为确保潍坊市光电产业集群顺利建成并实现跨越发展，潍坊高新区与全球惟一的LED产业专业资讯机构——深圳高工产业研究院合作，科学编制《潍坊半导体发光产业集群规划》，分析了半导体发光产业集群建设的内外部环境，规划并制定了集群的定位和总体发展目标，对集群建设任务进行科学分解。同时建立部省市三级联动机制，形成科技部火炬中心、山东省科技厅、潍坊市政府共建局面，成立省级工作领导小组，负责统筹协调半导体发光产业集群发展的各项重大事项，及时解决集群发展中遇到的重要问题。成立市级工作推进小组，具体负责集群产业招商、规划实施和配套政策的落实。出台《潍坊市关于支持创新型半导体发光产业集群建设的实施意见》，涉及创新体系建设、投融资体系搭建、组织保障体系等内容，为培育具有国际竞争力的创新型半导体发光产业集群提供支持。

潍坊高新区始终坚持创新驱动、内生增长方针，着力引导科技创新资源向企业聚集、丰富创新载体促进产学研合作、健全完善市场导向的创新体系，积极实施重大科技专项，着力突破共性核心技术，增强新兴高端产业核心竞争力，不断提升产业内涵发展的层次和水平。目前，已形成以3个部级孵化器、3个省级孵化器和2个高端产业加速器为引领，以18个省级以上产业化基地为载体，以106家高新技术企业为主体，以10大公共技术平台、21家企业研究院和126家市级以上企业研发中心为支撑，以13个省级以上实验室、5个院士工作站、6个博士后科研工作站为促进，以9个高端产业技术创新战略联盟、6个省级以上国际科技合作平台为纽带的特色创新体系，累计申请专利4021件，授权3156件。“十二五”期间，计划申报市级以上科技计划1000项，其中国家863计划、国家科技支撑计划、国际科技合作计划及省级重大科技专项等150项以上。

推进集群跨越发展

“立足基础、突出特色、错位发展、差异竞争”是潍坊高新区一直以来坚持的原则，潍坊高新区按照“大项目—产业链—产业集群—产业基地”的思路，根据“研发—孵化—加速—产业化”的路径，采取“人才+专利、资金+市场、政府+企业”的办法，促进新兴高端产业创新型成长、链条式发展、园区化布局。自2004年开始涉足LED产业，潍坊就举全市之力支持发光产业的发展。潍坊高端产业发展基金、外延炉引进政府补贴1000万元、LED产品政府采购、集群内不同企业产品的首次配套政府埋单、政府的高端产品推广机制、1300引才工程、加快新兴高端产业发展意见等，无不体现了潍坊市政府对集群发展的重视和不遗余力的扶持。

此外，潍坊高新区还在引进人才和引进高端项目上下功夫，如引进美国Veeco公司主要研发人员刘恒博士，创办潍坊绿种子科技公司，打造世界单机产量最大的56片蓝光MOCVD，实现重大装备国产化；引进孙逊运博士创办的星泰克微电子材料公司，实现高硅光刻胶关键半导体材料的研发生产；引进中央“”人才孙晓东博士高端LED荧光粉和高效发光材料项目；引进中央“”人才赵耀华博士的LED高效散热器项目；与中央“”人才史国均博士就高性能有机硅、白光光源等项目进行洽谈。

目前，集群骨干企业浪潮华光公司在原有外延生长、管芯制作的基础上，不断完善产业链，重点发展半导体芯片及其下游应用产品，形成了LED照明路灯、LED照明螺口灯泡两大类系列产品，涵盖了从30瓦到300瓦全系列产品，其中超高亮度LED性能指标已达到国内先进水平，半导体LD管芯产量和销量均居全球前列，产品远销美洲、欧洲及东南亚，销售范围覆盖全球2/3的地区，LED照明产品远销欧美、我国台湾地区等40多个国家和地区；中微光电子公司已经成熟并经过大规模应用的灯具产品主要有LED路灯、LED高杆灯、LED隧道灯、LED工业吊顶灯、LED日光灯等，累计向国内外销售并安装10万多套白光LED路灯，成为全球最大的LED路灯供应商之一。

潍坊市委常委，潍坊高新区党工委书记、管委会主任赵志远表示，未来潍坊高新区将加强在全球半导体发光领域的标准制定、人才培养、品牌建设等，到2015年，潍坊市光电产业集群力争实现总产值突破1000亿元，基本建成具有国际影响力的光电产业研发基地、生产基地和应用示范基地，成为全球瞩目的人才聚集地和我国最成功的产业集群典范之一。（责任编辑：赵丹）

半导体光电技术篇4

面对问题，直面出击

随着工业的飞速发展和社会文明的长足进步，环境问题已经成为21世纪人类必须面临的重大课题之一，其中，空气和水体中的有机物污染尤为显著。而半导体催化技术因为可利用部分太阳光能，在常温常压下进行快速反应，且对污染物治理彻底、无二次污染而成为国际环境净化处理研究的前沿领域之一。的确，半导体催化技术是十分符合我国在环境污染治理中的高效率低消耗要求的。而由于具有价廉无毒、氧化能力强、稳定性好等优点，TiO2已经成为目前研究最多和应用最广的金属氧化物半导体光催化剂。

“该技术能够有效消除空气和水体中的有机污染物，但其中的TiO2存在光生电子一空穴复合率高和只能利用紫外光的缺陷，在一定程度上制约了该技术的工业应用，而光电催化技术则弥补了这一缺陷。”北京大学环境科学与工程学院副教授尚静说，“近年来，光电催化技术引起了广泛关注。光电催化技术，又称为电助光催化技术，其主要原理是通过外加电场促进光生电子与空穴的分离，从而提高光催化处理效率。”

经过研究发现，目前所采用的电助光催化技术还存在很多弱点。比如，现在来看，一般的电助光催化技术均采用的是光电化学池。根据电化学体系的电极数目，可分为两电极系统、三电极系统甚至多电极系统。在典型的三电极体系中，一般是用负载在导电基底上的光催化剂膜作为光阳极，Pt电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，反应体系需借助电解质来形成回路，因此，不能应用于气相光催化降解体系，同时，也不可避免地增加生产成本和使生产工艺复杂化。而在应对促进电子空穴对分离的问题上，已知的光电催化技术均采用直流电源来解决，而不能直接、有效地利用交流电，这在很大程度上限制了光电催化技术的推广应用。另外，目前的光电催化技术主要是利用光生空穴的氧化能力，广泛用于氧化处理废水中的有机污染物，而利用光生电子的还原能力，将光电催化技术应用于还原废水中重金属的研究非常少。

诸如此类问题，不可避免地制约着光电催化技术的发展。既然看好该技术的前景，尚静自然全心投入，为改进和完善光电催化技术体系努力着，付出着。

具体问题，具体分析

面对这些问题，尚静针对其各自的特点进行了具体分析，并先后提出了3项专利申请。

针对传统光电催化体系装置复杂，不能应用于气相有机污染物降解的局限性，尚静发明了一种可应用于气、固、液三相体系来降解有机和无机污染物的全固态平面型光催化器件及其制备方法。“我们在绝缘基底上固定一对或多对条形电极，并在该基底和条形电极上负载半导体光催化剂，就可得到高活性的全固态平面型光催化器件。当在条形电极两端接通电源后，两电极之间产生的电场就可以促进两电极之间的半导体光催化剂薄膜中电子和空穴对的分离，从而达到提高光催化剂作用效率的目的。”

这样一来，这种全固态平面型光催化器件的优势就十分明显了。首先，它不需要工作电极和电解质，只要利用条形电极，就可以在施加微小电压的情况下，使光生电子一空穴对充分分离，从而使光催化效率大大提高；其次，它可以广泛应用于气、固、液三个体系，利用此平面型光电催化器件可以探讨污染物和催化剂之间的电荷迁移过程，是一种研究光催化反应中光物理过程的手段。总而言之，就是活性高、成本低、工艺简单、应用广泛、兼容性高，易于推广使用。

“在研究中，我们还发现，如果采用交流电源来促进电子空穴对的分离，将会更直接、更有效。”通过一番尝试，尚静发明了一种节能、易于推广应用、能够100％利用交流电，而且光电催化效率高的光电催化装置。其工作原理如图所示，即利用二极管单向导通的性质。使交流电压的负半部分被滤掉，所以，TiO，光阳极交替处于正向偏压和无偏压状态。这样的驱动特点，使施加在TiO2光阳极上的偏压连续变化，导致TiO2薄膜中的光生空穴很难有效地累积，能够提高光生激子的利用效率，从而加快液相污染物的光降解过程，实验结果表明，其光电协同效果比直流条件下的提高7倍以上。研究中还发现，二极管整流的交流电下TiO2光阳极的稳定性要好于直流电下。

该项发明利用交流电结合二极管为驱动方式，其优势是不容小觑的。将传统的直流电源替换成为一交流电源，同时，增设了一个或四个廉价的二极管，在这一思路下所增设的二极管，分别对应着半波整流和全波整流，这样可以使电流从TiO2阳极通过电解质溶液流向对电极，从而促进半导体催化剂产生的光生电子和空穴的分离效率，解决TiO2薄膜内空间电荷的累积问题，进而提高光催化效率。“采用交流电还有一个比较直接的好处，那就是可以直接应用，而不必再加上额外的装置进行转化。”尚静解释道，“这不仅是节约资金、降低成本的问题，还可以增强装置的稳定性，进行推广使用也比较方便。”

同时，由于该发明装置中的TiO2光阳极首先是将光催化剂制成悬浊液或溶胶，然后，采用现有的光电化学手段，比如，浸渍一提拉方法或旋转涂膜方法将制得的光催化剂负载到一导电基底上，制备方法比较简单。更为重要的是，该发明将交流电和太阳能光化学结合起来，对光解水有一定的借鉴意义。因此，该发明所提供的这种应用交流电为驱动的光电催化新方法，光电催化效率高，利于液相有机污染物的快速降解，不仅可以应用在二电极系统中，还可以应用到三电极和多电极系统中。

半导体光电技术篇5

关键词：影视照明；LED；机遇与挑战；光明之路

LED（LightEmittingDiode）中文意思为发光二极管，是一种能够将电能转化为光能的固态半导体器件。随着半导体技术的迅猛发展，LED灯具高举“高光效、低碳耗、长寿命、多功能”大旗，在照明行业掀起了革命性浪潮，昂首阔步迈入“第四代新光源”之列。2003年，我国正式启动“国家半导体照明工程”计划。2009年，科技部在全国部分城市启动“十城万盏”半导体照明应用工程试点工作。2010年，国务院常务会议审议并原则通过《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，半导体照明材料成为新材料领域战略性新兴产业之一。随着市场拓展和技术进步以及政策的助力，中国LED产业浪潮更加势不可挡。2011年，国内一年中有7家LED行业企业在A股市场实现IPO，累计融资金额近40亿元。2012年我国LED产业产值预计将超过4000亿元。如果说LED在公共照明领域的广泛运用是“第一次飞跃”，同样，大功率LED在影视照明领域必将掀起“二次飞跃”。了解LED照明灯具及其在影视照明领域的应用规律，探索影视照明LED面临的机遇与挑战，对于我们做好影视生产中的照明工作有着积极意义。

1 从传统白炽灯到影视照明LED专业灯具，LED在照明领域实现了两次飞跃

1.1 由传统白炽灯到LED灯，LED实现了照明领域的第一次飞跃

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“PN结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。LED发光的颜色由所使用的基本材料决定。最初，LED并没有应用于影视照明，主要是因为最初的LED只能发出红色光或黄色光，没有发出蓝光的LED。红黄蓝三色光混合后，才能产生白光，或者有直接发出白光的LED。白光LED一般采用两种方法形成。第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光；第二种是多种单色光混合方法。这两种方法都已能成功产生白光器件。目前LED还处于半导体照明应用初期，国际上LED技术的前沿课题始终是高亮度化、全色化、更大应用范围和更低成本。虽然未来几年内LED应用市场发展最快的领域并非影视照明市场，而是显示器用背光源，不过厂商对于推动LED普通照明市场的态度仍然非常积极，并开始推出与传统照明极为相似的LED照明产品，包括用来取代E26/E27、GU10、MR16以及PAR系列等不同规格的LED灯，或是应用在户外场所的景观照明、投射灯、泛光灯、地底灯、矮柱灯等，都是未来几年较常见的LED照明应用。相较于传统光源在技术进展方面已趋成熟，LED发光效率仍有很大进步空间。据资料显示，在1998年白光LED光源刚推出的时候光效只有5lm/w，到2005年的时候光效已经达到50lm/w，目前用于商业照明的光效达到100lm/w，预计到2015年LED的光效有可能达到200lm/w以上。2012年，随着各国正式开始禁用白炽灯，加上中国政府对LED照明的大力扶持，LED照明应用市场迎来了巨大的发展机遇。科锐公司白光功率型LED光效再度刷新行业最高纪录，达到254lm/w。美国能源部及马里兰大学则采用GE航空发动机的高速空气喷射技术研发出1500lm原型LED灯；德国研究人员研发出了新型超高亮度LED食品均匀照明技术。此外，硅衬底大功率LED、高压LED、COB、LED光引擎发展等，依然是业内关注的焦点。与此同时，LED企业间对于市场的争夺将更激烈。今年五一黄金周前后，中国LED业者们从日本东京“LED NextStage 2012”，到布局LED广交会和中山古镇灯饰“LED照明配件与生产设备展览会”，再到德国法兰克福国际建筑与照明展，LED会展如“走马灯”，LED产品琳琅满目。中国的LED业者机遇与挑战共存。

1.2 大功率LED照明灯具的产生，LED实现了由传统领域到影视专业照明领域的第二次飞跃

在影视照明领域，LED灯具的应用正在吸引着大家的目光，它作为一种新型的绿色光源产品，已经逐步走入影视照明领域。2004年，北京BIRTV展会上LED筒子灯（PAR灯） 首次亮相，揭开了LED在电视舞台照明的新领域的帷幕。2008北京奥运会开闭幕式及2009年中央电视台春节联欢晚会使用广州雅江光电公司大功率YGLED603和YGLED321W灯具。2009年，星光公司使用100WLED灯具装饰中央电视台新闻联播演播室，2010年400WLED灯具装饰长安大剧院，真正实现了国产LED的两个突破：一是大功率（400W以上）LED高性能投光灯在央视舞台中的首次运用；二是打破了国外产品一统中国舞台LED的局面。伴随着1000w的LED电脑灯及LED的单体功率达到400W以上，LED灯具已经从单纯的效果照明，进入到人物照明领域，影视照明的LED新时代已经到来。

LED影视照明灯具的特点。一是发光效率高，低碳低耗，节能环保。LED的发光原理决定了它的能量转化效率非常高，理论上与白炽灯比较能达到90%的节能，从理论上讲LED的发光效率能达到300lm/w以上。LED还可以与太阳能电池结合起来应用，节能又环保。其本身不含有毒有害物质（如：Hg汞）。二是光色纯正，光控响应快。LED产品已覆盖了整个可见光谱范围，色彩纯度好，饱和度很高。三是防潮抗震，使用寿命长。正常情况下使用LED，其光衰可以减到70%的标准寿命10万小时，减少了更换频率和其他维护工作。由于LED的外部多采用环氧树脂来保护，所以密封性能和抗冲击的性能都很好，甚至可以应用于特种照明，例如水下照明等。另外，LED还有其他很多优点如：低热量、光束角易控制、体积小等，这些都使LED光源具有很大的优势，为应用于影视照明创造了有利条件。（参数比较如下图，参数来源参照2011年广州国际照明展及北京星光影视设备科技股份公司）

2 影视照明LED的机遇与挑战

2.1 变“追随者”为“引导者”，让“核心技术研发”成为影视照明LED的“动力源”

资料显示，部分LED企业重外观而不重功用，LED照明产品质量参差不齐，研发水平停滞于只是将光源、电源、驱动板、外壳及配件进行简单的组装。不在LED产品的核心部分下功夫，反倒是在外观方面费劲心思。通过问卷调查，LED等工业发展重地的佛山近3000多家企业近3年来39%的企业没有研发投入，41%的企业研发投入占销售收入比例仅在1%至5%之间。作为中国灯饰之都的中山古镇，其已成为“山寨”灯具的集散地。即使是7家封装LED企业，所募集资金大都用在产能扩建项目和产业链延伸上，甚至用于金融产品理财，很少见到用于技术升级或开发核心技术。深圳长方半导体照明股份有限公司（股票代码300301）募集资金近2亿元，今年一季报显示用于新产品研发的投入几乎为空白。相反，美、日、德、荷等全球5大LED厂商结成了LED专利联盟，正步步为营推进技术垄断战略，全球LED领域的技术和专利，多被美、日、德等发达国家的大公司所占有。专利战一触即发，中国企业恐有“走麦城”之虞，缺乏核心的技术创新能力已成中国企业屡屡失分的致命伤。中国LED企业要建立自身的江湖地位，充当市场的引导者，就要强化自身在技术领域的话语权，通过技术升级向中、高端产品延伸，应该走出“一流企业卖技术，二流企业卖产品，三流企业卖力气”之路，切莫本末倒置，成为市场的追随者，受制于市场，被人牵着鼻子走。

我国于2003年正式启动了“国家半导体照明工程”计划。2005年又启动了“半导体照明工程产业化技术开发”重大项目。在“十一五”计划中，国家继续把半导体照明工程作为一个重大工程来推动。2006年初，“高效节能、长寿命的半导体照明产品”的研发被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006―2020）》中的第一重点领域（能源）的第一优先主题（工业节能）。2009年，科技部在天津、石家庄等21个城市启动“十城万盏”半导体照明应用工程试点工作。2009年10月，国家发改委等6部门出台《半导体节能产业发展意见》为我国半导体照明产业指明方向。2010年10月，国务院常务会议审议并原则通过《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，决定明确提出现阶段重点培育和发展包括节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车等七大产业。在这七大产业中，半导体照明材料成为新材料领域努力实现快速健康发展的战略性新兴产业之一。近期，在广州国际照明展暨LED展期间举办“2012亚洲LED高峰论坛”上，国内相关LED生产企业专门设立了“CTO技术交流大会”，来自罗姆、台达电子、晶元光电、新世纪光电、艾比森光电、茂硕电源、晶能光电、杭科光电、天电光电等LED企业首席技术主管共享当前最先的LED技术，共同探讨LED技术发展难题。

2.2 变“贴洋牌”为“树品牌”，亟待出台大中华地区LED自主品牌的“民族国标”

目前，我国LED产业的产量为全球第一，产值位居全球第二。传统白炽灯将淡出市场，LED灯具将成为照明市场的主流。2011年8月初，国家发改委颁布《中国逐步淘汰白炽灯路线图》，明确规定，从2012年10月1日起，禁止销售100瓦及以上普通照明用白炽灯；2014年10月1日起，禁止销售60瓦及以上普通照明用白炽灯；2016年10月1日起，禁止销售和进口15瓦及以上普通照明用白炽灯。LED照明灯具必将成为一个海量的产品。目前，中国照明市场虽然容量巨大、品牌众多，但是以飞利浦、欧司朗、GE等为代表的几大“洋品牌”一统中国照明市场。本土照明企业虽然数目众多，但是缺乏品牌影响力和核心技术优势，不乏是国外产品的“组装车间”。由于LED生产上游的外延片、芯片封装等关键领域存在很多专利问题，跨国巨头如美国SemiLED&Corporation、荷兰Lemnis公司等正在构建庞大的专利池，意图封杀我国LED产业的长远发展。中国LED企业亟待“冲出重围”。国家科技部官员透露，根据2015年国家“十二五”LED节能规划目标，LED产业化光效流明要达到150流明/瓦，研发水平达到200流明/瓦，寿命达到5万小时，市场规模达到5000亿元以上。“不以规矩，不能成方圆”，国内LED生产企业由于缺少规范统一的标准化光组件和灯具标准，加上各家企业自身现有的装备设施、各自的工作基础和技术水平发展不均衡，造成了市场上出现的LED照明应用产品种类繁多、性能各异、互换性差，给整个产业的发展提出了严峻挑战，同时也在一定程度上制约了LED照明产业的健康发展。目前，国内很多机构如CALI（China Association of Lighting Industry）中国照明电器协会和CSA（China SolidState Lighting Association）中国半导体照明产业与研发联盟、工信部标准化研究所等单位都在进行LED 行业特别是照明相关的标准制订工作。2008年10月，全国照明电器标准化技术委员会与信息产业部半导体照明技术标准工作组相继召开会议通过12项LED国标送审稿和7项LED电子行业标准送审稿（见附表），并于2009年、2010年相继颁布实施。

2010年7月，全国照明电器标准化技术委员会和中国质量认证中心（CQC）在广东省东莞市联合召开“照明用LED系列国家标准宣贯会、产品CCC认证和节能认证暨技术研讨会”。 编写了有关照明用LED系列国家标准，并由中国标准化出版社出版。有关专家建议，国家应多参照美国能源部、国际照明学（IES）等机构的专业规范，联手台湾、香港、澳门一起制定适用于大中华地区LED行业标准，提高大中华地区的LED生产企业的“核心竞争力” 引导LED照明产业朝着规格化、系列化、标准化方向发展，对提升大中华地区LED照明产业整体竞争能力和产业发展水平，具有十分重要而深远的意义。

半导体光电技术篇6

【关键词】 半透半反 相位补偿 技术线路 专利

一、半透半反液晶显示技术

半透半反液晶显示技术是指，将每个R、G、B子像素单元分为透射区和反射区两部分，使透射区液晶工作于透射模式，反射区液晶工作于于反射模式，其工作原理为器件是：当环境光较暗时，打开背光源，光线透过透射区，器件工作于透射模式；而在明亮的环境下，关闭背光源，透反液晶显示器工作于反射模式，利用周围光的反射来显示图像[2]，[5]。本文将从专利申请的角度分析半透半反液晶显示技术的发展历程。

二、半透半反液晶显示技术相关专利申请情况：

2.1 主要申请人的统计情况

半透半反液晶显示领域申请量排名前十位的申请人见图1，台湾的友达光电、日本的精工爱普生和国内的京东方分别位列前三位，前十位中，日韩以及台企占据了大部分，这也反映出了在液晶显示技术中，日韩和台企掌握了该领域的核心技术。而在国内，京东方科技在近年来的投入的大量研发和对知识产权的注重后，在专利的申请上也有着显著的进步，在不断研究摸索中逐渐形成了自己的专利积累，为其日后进一步赶上日韩台等领先企业打下了坚实基础。

2.2专利申请量年度分布

将1995年至2013年期间的专利申请量，以一年为一个半透半反液晶领域专利申请量从2002年开始出现井喷式的增长，在2004年达到了最高峰，随着该领域的逐渐发展成熟以及其技术的单一性特点导致进一步研发难度较大，其专利申请量也逐渐减少并趋于稳定。

三、半透半反液晶显示技术发展脉络

下面结合重点专利对半透半反液晶显示器的技术发展进行详细论述。

1998年5月1日，来自日本的精工爱普生株式会社提交了一份申请号为：CN98800611.1的专利申请[1a]，其作为较早提出半透半反液晶显示器的申请，利用反射板来实现半反半透显示，在液晶层和背光装置之间安装了反偏振光分离器，其中，偏振光分离器具备（1/4）λ板和胆甾液晶层。胆甾液晶具有下述性质，对于具有与该液晶的间距（pitch）相同的波长的光，对与该液晶相同的旋转方向的圆偏振光进行反射，透过除此以外的光。即该液晶显示构成了半反半透型液晶显示。精工爱普生株式会社在随后推出了该专利的相关产品，从而造就了精工爱普生在该领域的领先地位。具体的，该液晶显示元件使用了TN液晶屏作为液晶层。将TN液晶夹在2片玻璃基板之间，在TN液晶屏的上侧设置了蓝色系列的彩色偏振片，在TN液晶屏的下侧按下述顺序设置了光散射体、偏振光分离器和红色系列的 EL背照光源。该显示元件在有外部光的场所，可构成利用外部光的反射的反射型的多彩色显示，另一方面，即使在没有外部光的场所，也可构成由来自光源的光产生的透射型的多彩色显示，从而使得在该半透射反射型的显示元件中在进行反射型显示时能够进行非常亮的显示。

作为较早提出半透半反液晶显示技术的专利，精工爱普生株式会社的该专利并没有考虑到透射光和反射光射出光路中走过的光程的差别，从而造成视觉误差以及出光效率较低等问题[5]。对于该问题，LG.菲利普LCD株式会社于2003年2月5日提交了一份申请号为：CN02140535.2的专利申请[1b]。在该专利中，LG.菲利普LCD株式会社提供了一种透射区域的液晶层是反射区域液晶层厚度的两倍，从而使得透射光和反射光在出射光路中走过的光程一致，从而保证了透射

区和反射区不存在视觉误差和均匀性问题。

具体的，在该申请中，将透反射LCD装置分成透射区“A”和反射区“B”，这种透反射LCD装置有相互分开面对的下基板和上基板。第一钝化层形成于下基板的内表面上，且第一钝化层在透射区“A” 内有第一透射孔。一透明导电材料的透射电极形成于第一钝化层上。接着，第二钝化层形成于透射电极上，而一反射电极形成于第二钝化层上。反射电极有一第二透射孔，该孔露出第一透射孔上的透射电极。另一方面，在下基板的内表面上形成一薄膜晶体管，并且将该薄膜晶体管电连接到透射电极和反射电极上。透射区域的液晶层是反射区域液晶层厚度的两倍，从而使得透射光和反射光在出射光路中走过的光程一致，从而保证了透射区和反射区不存在视觉误差和均匀性问题。

由于双盒厚的半透半反液晶显示器需要引起更加复杂的结构以及非常苛刻的制造过程，即制造过程中需要具有对两个盒间隙之间的差异的非常好的控制，这控制是比较困难的，从而导致盒间隙中的不均匀以及LCD光学性能的劣质[3]。

针对该问题，中佛罗里达大学以及统宝光电股份有限公司与2003年4月29日提出了一份申请号为：CN038154021的专利申请[1c]。在该申请中，其提供了一种用单间隙高反射（R）和透射（T）的半透反射式液晶显示器（LCD）的制造方法，它包括以下步骤：通过使用不连续的像素电极或共用电极，在反射区域中产生强弥散场，来减少单间隙液晶显示器（LCD）中反射像素（R）所对应区域的液晶分子的双折射变化Δn，从而反射像素（R）所对应区域的液晶分子的总延迟Δnd等于所述单间隙LCD中透射像素所对应区域的液晶分子的总延迟Δnd。可以发现，代替将盒间隙从d降低到d/2，可以通过使用部分转变在R区域中将双折射变化从Δn降低到Δn/2。可以将分子转变约45 °而不是垂直的90°。在这种情况中，双重路径R的合成延迟变化保持（Δn/2）*（2d）=Δnd，这与T的延迟变化相同。这就使用简单的单盒间隙结构为T和R两者形成了较高的光效率。该发明将反射区中的双折射变化Δn减小到一半，从而总延迟保持相同。

四、总结和展望

本文通过检索得到样本数据，进一步分析半透半反液晶显示技术的专利情况。通过分析可以看出近几年半透半反液晶显示技术的研究有了放缓的趋势，该领域的革新性创新也有所减小，这与2002年-2009年之间该领域井喷式的发展导致该半透半反液晶显示技术发展较为成熟有关。该领域技术比较领先的国家还是日本和韩国等显示领域比较发达的国家，我国仍处于跟随和模仿阶段，但随着国内如京东方等大型光电企业逐渐的发展，也在进一步缩小着和其他领先国家的差距。相信随着更多半透半反液晶显示技术的被提出，该领域的产品也会在市场上进一步成熟，从而推动时代和社会的进步。

参 考 文 献

[1]中国专利申请：a） CN98800611.1；b） CN02140535.2；c） CN038154021.

[2] 崔宏青，冯亚云，陈冬静.“单倍盒厚间距垂直排列和混合排列半透半反式液晶显示模式”.《液晶与显示》.2008

[3] 罗熙曦，马骏，凌志华.“广视角半反半透垂直排列TFT-LCD液晶显示研究”.《2008中国平板显示学术会议》.2008

[4] 张建德，王琼华，李大海.“透反区响应时间相等的双盒厚透反液晶显示器”.《光学技术》.2009

半导体光电技术篇7

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）器件研制的高潮。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，可形成适用于可见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算的装置，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。

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。

本文限于篇幅，只讨论了几种最重要的半导体材料，II－VI族宽禁带与II－VI族窄禁带红外半导体材料，高效太阳电池材料Cu（In，Ga）Se2，CuIn（Se，S)等以及发展迅速的有机半导体材料等没有涉及。

半导体光电技术篇8

显示技术已完成了由阴极射线管显示向以薄膜晶体管液晶显示技术和等离子体显示为主流技术的平板显示器的过渡，目前，显示技术处于多种技术并存、新型显示发展迅速的黄金阶段，宽色域、高分辨、大尺寸、低功耗正成为显示技术的发展方向。“激光显示最突出的特点就是色彩优势，激光显示的色域空间比传统显示技术的色域空间大两倍以上，能更好地再现自然界的色彩。”在谈到激光显示的优势时，毕勇首先提到这一点。在他看来，以投影技术作为未来消费类家庭影院的显示终端，主流很可能是以激光光源为主，激光显示技术的发展前景非常光明。

毕勇，中国科学院光电研究院光电系统工程部研究员，北京中视中科光电技术有限公司总经理，“十一五”国家重点项目总体专家组专家。主要从事全色激光显示技术、大功率全固态激光器系统技术与应用和非线性光学频率变换技术等方面的研究。

毕勇及其团队的研究工作主要集中在四个方面：光源技术，着力研发小型、低成本、高效率的红绿蓝光源模组，研制出了15瓦的光源模组；散斑消除技术，已获得10余种散斑消除技术专利，并开发出散斑测量仪器；在色彩空间坐标系下推导出新的色彩管理方程，使颜色算法从线性节点算法变为非线性映射关系；围绕工程化展开工作，合成了500瓦的激光输出，在高流明激光投影放方面，做到了45000流明的输出，在关键元器件的抗冲击震动、抗高低温存储、抗高低温冲击、防潮等方面做了很多工作，对工程应用有重要意义。

“十一五”规划中，激光显示技术被列为重点专项，毕勇作为“十一五”国家重点项目专家组专家，主持参与了多项重要技术的研发，取得了多项成果：首先，在低成本、大尺寸的激光晶体和非线性光源晶体制备中，将LBO晶体做到1千克以上甚至两千克，比传统的200克大了近10倍；其次，在半导体材料和器件方面，突破了TM模式近红外半导体的设计、开发和制备，完成短波长635纳米的红光半导体器件的研发，解决了我国红光半导体和红外半导体器件的国产化问题，降低了生产成本；第三，激光技术方面，开发小体积15瓦的光源模组，电光转化效率高达16.6%，有利于激光显示技术国产化、构建自己的产业链和产业群；第四，终端产品方面，开发出两款1000流明的激光投影仪和10000流明的激光高亮度投影仪以及65英寸和71英寸的激光电视产品。

虽然我国激光显示研究的技术水平发展迅速，但毕勇也清楚地看到问题和不足。“国内在成果转化和产业化方面，与国外相比，还存在着一定的差距。”他解释说，造成我国激光显示产业化水平较低的主要原因在于，我国对激光显示的研究主要还是高校和科研院所在做，短时间内很难实现以企业为主体，产业化水平较低。因此，毕勇及其研究团队在“十二五”期间的主要目标就是努力搭建激光显示产业群，构建完整的产业链。