光电子行业调查报告

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4、向纳米结构、非均值、非线性和非平衡态发展。本店 铺为大家收集整理的光电子行业调查报告，希望大家能够喜欢。20世纪微电子技术的发展，伴随着计算机技术、数字技术、多 媒体技术以及网络技术等的出现，使社会进人了信息化时代。光电子 技术是继微电子技术之后30多年来迅猛发展起来的综合性高新技 术，以其强大的生命力推动着光电子（光子）技术与产业的发展，随着 70年代后期半导体激光器和硅基光导纤维两大基础元件在原理和制 造工艺上的突破，光子技术和电子技术开始结合并形成了具有强大生 命力的信息光电子技术和产业。至今光电子（光子）技术的应用已涉及 科技、经济、军事和社会发展的各个领域，光电子产业必将成为本世 纪

5、的支柱产业之一。光电子技术产业发展水平既是一个国家的科技实 力的体现，更是一个国家综合实力的体现。光电子材料是指能产生、转换、传输、处理、存储光电子信号的 材料。光电子器件是指能实现光辐射能量与信号之间转换功能或光电 信号传输、处理和存储等功能的器件。光电子材料是随着光电子技术 的兴起而发展起来的，光子运动速度高，容量大，不受电磁干扰，无 电阻热。光电子材料向纳米结构、非均值、非线性和非平衡态发展。光电 集成将是本世纪光电子技术发展的一个重要方向。光电子材料是发展 光电信息技术的先导和基础，材料尺度逐步低维化一一由体材料向薄 层、超薄层和纳米结构材料的方向发展，材料系统由均质到非均质、 工作特

6、性由线性向非线性，由平衡态向非平衡态发展是其最明显的特 征。1、光电子材料按其功能，一般可分为以下7类：发光(包括激光)材料；光电显示材料；光存储材料；光电探测器材料；光学功能材料；光电转换材料；光电集成材料。其中，发展重点将主要集中在激光材料、红外探测器材料、液晶 显示材料、高亮度发光二极管材料、光纤材料等.。激光晶体材料1960年T.H.Maiman研制成功了世界上第一台红宝石 (Cr3+:Al2O3)脉冲激光器。随后，人们对激光晶体材料进行了广泛的 研究，研究的主要目的是收集有关激光晶体的光谱和受激发射特性， 确定究竟哪些类型的激光晶体能提高激光效率。为此，大量合成了一 些有科学和应用价

7、值的有序化合物和无序化合物晶体以作为激光基 质，然后再掺入激活离子。当前激光晶体材料向着大尺寸、高功率、LD泵浦、宽带可调谐 以及新波长、多功能应用方向发展。激光晶体中以Nd:YAG最成熟，应用最广，产量最大。Nd：YAG及Yb：YAG晶体材料得到广泛应用的钇铝石榴石(YAG)是一种综合性能(包括：光学、 力学和热学)优良的激光基质。Nd:YAG称为掺钕钇铝石榴石 (Nd3+:Y3Al5O12, Nd:YAG)，是于1965年前后从数百种激光新晶体中 优选出来的。20世纪70年代在国际上完成了 Nd:YAG晶体生长条件 的研究，80年代研制成功的较大尺寸的Nd:YAG晶体走向工业生产， 90年

8、代采用自动化晶体生长设备，批量生产出70mm100mm大尺 寸Nd:YAG晶体，使得采用单棒和多棒串联组合体系的千瓦级Nd:YAG 激光器得到了发展。因为Nd:YAG具有较高的热导率和抗光伤阈值，同时3价钕离子 取代YAG中的钇离子无须电荷补偿而提高激光输出效率，使它成为用 量最多、最成熟的激光材料。此外，为了寻找新的激光波长，对YAG 基质进行了 Er，Ho, Tm，Cr等的单独或组合掺杂，获得了数种波长 的激光振荡。Nd:YAG是理想的四能级激光器。引上法制备的Nd:YAG因单晶激 光棒的增益高、机械性能好而得到广泛应用。Nd3+的离子半径为 0.104nm，Y3+的离子半径为0.092n

9、m，因为空间位置效应，YAG晶体 中Y3+不易被Nd3+所取代，故Nd3+在钇铝石榴石中的分凝系数比较 小，约为0.150.20。Nd3+浓度的集中使该区域形成化学应力，导致 中心区域的折射率高于周围区域的，成分的差异也引起相应热膨胀系 数的差异。此外，用提拉法生长单晶周期长(约几周)，晶体的生长方 式限制了晶体的生长尺寸，也限制其潜在的输出功率。长期以来，人们一直在寻求替代材料，如：含钕玻璃或微晶玻璃 等，但其性能均不及Nd: YAG单晶材料。自上世纪60年代，人们发 现某些致密透明多晶材料(陶瓷)在某些性能上与同材质单晶材料相 近，甚至可以取代单晶材料。由于陶瓷制备技术的优点，克服单晶材

10、料的一些缺点，使产品不仅具有尺寸大，生产效率高，成本低的特点， 而且掺钕量可远高于单晶体的，使其激光输出功率大。用新工艺制造 出的陶瓷激光介质，因其散射损耗小和高效的激光振荡而引起广泛关 注。因此，Nd:YAG陶瓷有望取代单晶材料而成为大型高功率固体激 光器的工作物质。在1965年贝尔实验室首次获得了 Yb:YAG激光，但由于闪光灯泵 浦条件下Yb:YAG晶体的高阈值和低转换效率，并未引起人们的重视。 1971年采用GaAs:Si发光二极管为泵浦源，在77K温度下获得了 Yb:YAG在1029nm的脉冲激光输出，峰值功率达0.7W，表明此类晶体 的激光性能主要取决于泵浦条件。80年代末至90年

11、代，随着InGaAs 激光二极管性能的发展和成本的降低，开始寻求适于激光二极管泵浦 条件下的激光晶体，而掺Yb3+激光材料由于具有以下特点而受到了 广泛的重视。Yb3+离子的电子构型为4，仅有两个电子态，即基态2F7/2 和激发态2F5/2，在配位场作用下产生Stark分裂后，形成准三或准 四能级的激光运行机构。Yb3+离子吸收带在9001000nm波长范围，能与InGaAs半导 体泵浦源(8701100 nm)有效耦合，且吸收带较宽，对半导体器件温 度控制的要求有所降低。泵浦波长与激光输出波长接近，量子效率高达90%。 由于量子缺陷较低(8.6%)，材料的热负荷较低(5)不存 在激发态吸收和

12、上转换，光转换效率高。在相对较高的掺杂浓度下也不会出现浓度猝灭。荧光寿命长，在同种激光材料中为Nd3+离子的三倍多，能有 效储存能量。目前已获得千瓦级连续激光输出的是Yb:YAG晶体，其YAG基质 具有优良的光学、热力学、机械加工性能和化学稳定性，特别适合于 作为激光二极管泵浦条件下的高功率激光输出，在激光切割、钻孔以 及军用领域具有重要应用价值。2.2金绿宝石激光材料金绿宝石(Cr3+: BeAl2O4)是一种新型基质固态激光材料，用闪 光灯泵浦在室温下能发射701818纳米的整个波长范围的激光。这个 区间增益是由于电子跃迁到电子震动带而产生的。另外，人工金绿宝 石激光在R线(680.4纳米

13、)的发射截面约为红宝石(R线6943纳米) 的十倍，Nd :YAG(1064纳米)的三分之一。在人工金绿宝石中，泵 浦发射激光过程的闪光灯的辐射是在中心位于420和590纳米的带上 被吸收。在这个波长区域的激发态吸收相当于激光跃迁上能级中的离 子吸收。随着激发态吸收，离子无辐射地衰减到激光跃迁的上能级。 因此激发态的吸收导致泵浦光转化为热能的直接损耗。金绿宝石晶体的光学性能和机械性能都类似于红宝石，而且还具 备作为优良的激光基质的许多物理的化学的特性和机械性能，如硬 度，强度，化学稳定性以及高的热导率(为红宝石2至3倍和YAG的 2倍)等，从而使金绿宝石激光棒在高功率泵浦下不产生热损伤。在 大

14、多数条件下最大功率可达千瓦级。一支激光棒每厘米长度可承受的 最大功率为0.61.3千瓦。金绿宝石激光晶体应用于激光器中结构稳 定，因而有着广泛的应用前景，将会有更大的发展。2.3祖母绿晶体材料最近几年，随着高功率LD的迅速发展，探索适合LD泵浦的新型 激光晶体和重新评价原有激光晶体成为目前激光领域的重点研究内 容之一。祖母绿(Cr3+:Be3Al2Si6O18)晶体是继金绿宝石 (Cr3+:BeA12O4)晶体之后发现的又一种具有宽带辐射的优秀可调谐 激光材料，其良好的理化性能、较高的光转换效率与量子产率以及其 近红外激光经过倍频可获得目前较实用的紫外激光输出等优点，使其 在众多含Cr3+激光

15、晶体中具有较大的吸引力。目前，随着祖母绿晶 体新的生长技术研究成功，获得光学级的祖母绿晶体已经成为可能， 而高功率LD阵列技术的发展、也必将进一步推动祖母绿晶体激光器 的发展。2.4其它晶体材料近些年来，可调谐激光晶体是探索新型激光晶体的一个热点， 1982年发现了钛宝石(Ti3+:Al2O3)宽带可调谐激光晶体，此种晶体 调谐波长范围宽，导热性能好，室温下可实现大能量、高功率脉冲和 连续宽带可调谐激光输出，在军工、工业和科技等领域有广泛的应用， 从而将可调谐激光晶体的研究推向高潮，随后发现了一系列新的可调 谐激光晶体，诸如：Cr3+:BeAl2O4、Cr3+:Mg2SiO4、LiCaAlF6

16、 等晶 体。20世纪80年代后期，作为泵浦源的激光二级管(LD)晶体，诸如： GaAlAs、InGaAs、AlGalnP等半导体激光晶体的飞速发展，LD泵浦晶 体激光器具有高功率、高质量、长寿命、小型化以及导致激光器实现 全固化等优越性，掀起了对探索新型LD泵浦的高效率小型化激光晶 体的热潮，在此研究领域中，掺Nd3+激光晶体的研究，仍然是最活 跃和最重要的一项研究课题，当前性能较好的LD泵浦的掺Nd3+的激 光晶体。另外，为了适应激光器多种应用，近年来还开展了多波长激光晶 体，如Nd:KGa(WO4)2等晶体;新波段激光晶体，如Er:YAP、Ho:YAG 等晶体；自激活激光晶体，如NAB与N

17、dP5O14等晶体，以及自倍频激 光晶体(NYAB)，Cr: Nd:GdCaO(BO3)3 和上转换激光晶体(Ba2ErCl7) 等等的研究，均取得了一些成果。红外探测器材料红外技术是在40年前开始应用到防御系统上的。红外光电探测 器过去所用的材料主要是铅盐。到1970年，诸如InSb和HgCdTe之 类的半导体开始在红外技术中占居主导地位，成了制作光导器件的主 要材料。这些材料以整体形式生长，它们主要用于制作单个探测器元 件。在七十年代，发展了新的生长技术，即液相外延(LPE)，该技术 成了制作镶嵌式列阵中的光伏探测器的基础。八十年代初期，美国圣 巴巴拉研究中心(SBRC)首先发展了同质结，

18、以后为了获得声望又发展 了异质结，这些都是光伏器件的主要体系结构。到八十年代中期，随 着焦点向第二代光电探测器列阵(光伏型)转移，材料、材料结构、材 料生长技术以及探测器体系结构开始发生重大变化。这些变化包括诸如分子束外延(MBE)和金属有机化学汽相淀积 (MOCVD)之类的新的生长技术、诸如量子阱光导体之类的先进的材料 结构、诸如用于非致冷探测的多色集成光电探测器和微热辐射计之类 的新的器件结构以及先进的探测器和材料结构设计手段。用于在120 Pm红外光谱区进行红外探测的材料和材料混合体种类很多。表1列 出了这些材料以及它们的光谱范围。大约在10年前出现的最早的新材料是HgZnTe(HZT)

19、。这是由 Arden Sher等人首先提出的。同HgCdTe相比，HZT材料的结构更坚 固，但它却具有与HgCdTe非常相似的电学和光学特性。在八十年代 中期，美国圣巴巴拉研究中心根据Spicer-Sher-Chen的HgCdTe合金 的键稳定性模型，用液相外延长成了 HZT。由于材料学方面的一些问 题，HZT最适合用水平液相外延从相位图的Te角处进行生长，这样 便不会具有最佳的HgCdTe器件中所用的从Hg角处生长的垂直液相外 延层的挠性。这个生长难题一直限制着HgZnTe在红外焦平面技术方 面的应用。到九十年代，出现了一组新的适用于红外但基于III-V族材料的 合金半导体。美国圣巴巴拉研究

20、中心的Sher小组首次预告了 InTlP 材料。这些材料是用非平衡生长技术：分子束外延、金属有机化学汽 相淀积以及金属有机分子束外延生长的。它们被用于制作集成焦平面 列阵，例如，在这种集成焦平面列阵中，可以将InTlP探测器列阵直 接生长在包含读出和多路传输器功能的InP衬底上。目前HgCdTe依然占居着红外探测器材料的主导地位。由于 HgCdTe体晶生长受到组分分凝、Hg压难于控制等客观条件的限制， 使体晶材料在单晶面积、组分均匀性和结晶完整性等方面已不能满足 红外焦平面探测器件发展的需要，而HgCdTe外延（LPE、MBE、MOVPE 等）因其生长温度低，克服了体晶熔体生长的缺点，并能直接

21、获得适 合器件的结构（如原生双色、pn结、表面钝化等）。因此，外延技术 已成为HgCdTe晶体研究的方向。CdZnTe是一种由CdTe和ZnTe组成的膺二元化合物半导体材料， 熔点因Zn含量不同，在10921295笆变化。由于生长温度高、热导 率低、离子性强、堆垛层错能低、机械强度小等不利于晶体生长的因 素，因此，要生长符合衬底要求且重复性好、成品率高的CdZnTe晶 体是十分困难的。但由于其在军事和民用领域的重要应用价值，一些 西方发达国家二十多年来从未间断过对CdZnTe晶体的研究，晶体性 能不断提高，并在一系列大面阵红外探测器、x/Y射线探测器、光电 调制器、高效太阳能电池等领域得到了较

22、好的应用。大面积高均匀性HgCdTe外延薄膜及大尺寸CdZnTe衬底材料仍是 20XX年前红外探测器所用的主要材料。液晶材料显示用液晶材料是由多种小分子有机化合物组成的，这些小分子 的主要结构特征是棒状分子结构。现已发展成很多种类，例如各种联 苯腈、酯类、环己基(联)苯类、含氧杂环苯类、嘧啶环类、二苯乙快 类、乙基桥键类和烯端基类以及各种含氟苯环类等。近几年还研究开 发出多氟或全氟芳环以及全氟端基液晶化合物。随着LCD的迅速发 展，人们对开发和研究液晶材料的兴趣越来越大。TN-LCD用液晶材料TN型液晶材料的发展起源于1968年，当时美国公布了动态散射 液晶显示(DSM-LCD)技术。但由于提

23、供的液晶材料的结构不稳定性， 使它们作为显示材料的使用受到极大的限制。1971年扭曲向列相液 晶显示器(TN-LCD)问世后，介电各向异性为正的TN型液晶材料便很 快开发出来;特别是1974年相对结构稳定的联苯睛系列液晶材料由 G.W.Gray等合成出来后，满足了当时电子手表、计算器和仪表显示 屏等LCD器件的性能要求，从而真正形成了 TN-LCD产业时代。LCD用的TN液晶材料已发展了很多种类。这些液晶化合物的结 构都很稳定，向列相温度范围较宽，相对粘度较低。不仅可以满足混 合液晶的高清亮点、低粘度在2030mPa - S(20C)及左n0.15的要 求，而且能保证体系具有良好的低温性能。含

24、联苯环类液晶化合物的 n值较大，是改善液晶陡度的有效成分。嘧啶类化合物的K33/K11 值较小，只有0.60左右，在TN-LCD和STN-LCD液晶材料配方中，经 常用它们来调节温度序数和An值。而二氧六环类液晶化合物是调节 “多路驱动”性能的必需成分。STN-LCD用液晶材料自1984年发明了超扭曲向列相液晶显示器(STN-LCD)以来，由于 它的显示容量扩大，电光特性曲线变陡，对比度提高，要求所使用的 向列相液晶材料电光性能更好，到80年代末就形成了 STN- LCD产业， 其产品主要应用在BP机、移动电话和笔记本电脑、便携式微机终端 上。STN-LCD用混晶材料一般具有下述性能：低粘度;

25、大K33/K11值； n和Vth(阈值电压)可调；清亮点高于工作温度上限30笆以上。混 晶材料的调制往往采用“四瓶体系”。这种调制方法能够独立地改变 阈值电压和双折射，而不会明显地改变液晶的其他特性。STN-LCD用液晶化合物主要有二苯乙快类、乙基桥键类和链烯基 类液晶化合物。二苯乙快类化合物：把STN-LCD的响应速度从300ms 提高到120130ms，使STN-LCD性能得到大幅度的改善，从而在当今 的STN-LCD中使用较多，现行STN-LCD用液晶材料中约有70%的配方 中含有二苯乙快类化合物。乙基桥键类液晶：与相应的其他类液晶比 较，这类液晶的粘度、An值都比较低;相应化合物的相变

26、温度范围 和熔点相对较低，是调节低温TN和STN混合液晶材料低温性能的重 要组分。链烯基类液晶：由于STN-LCD要求具有陡阈值特性，为此， 只有增加液晶材料的弹性常数比值K33/K11才能达到目的。烯端基类 液晶化合物具有异常大的弹性常数比值K33/K11，用于STN-LCD中， 得到非常满意的结果。近年来，STN显示器在对比度、视角与响应时间上都有显著的进 步。由于TFT-LCD的冲击，STN-LCD逐渐在笔记本电脑和液晶电视等 领域失去了市场。鉴于成本的因素，TFT-LCD将不可能完全代替 STN-LCD原有的在移动通讯和游戏机等领域的应用。TFT-LCD用液晶材料随着薄膜晶体管TFT阵

27、列驱动液晶显示(TFT LCD)技术的飞速发 展，近年来TFT LCD不仅占据了便携式笔记本电脑等高档显示器市场， 而且随着制造工艺的完善和成本的降低，目前已向台式显示器发起挑 战。由于采用薄膜晶体管阵列直接驱动液晶分子，消除了交叉失真效 应，因而显示信息容量大；配合使用低粘度的液晶材料，响应速度极 大提高，能够满足视频图像显示的需要。因此，TFT LCD较之TN型、 STN型液晶显示有了质的飞跃，成为21世纪最有发展前途的显示技 术之一。与TN、STN的材料相比，TFT对材料性能要求更高、更严格。要 求混合液晶具有良好的光、热、化学稳定性，高的电荷保持率和高的 电阻率。还要求混合液晶具有低粘

28、度、高稳定性、适当的光学各相异 性和阈值电压。TFT LCD用液晶材料的特点：TFT LCD同样利用TN型电光效应原理，但是TFT LCD用液晶材 料与传统液晶材料有所不同。除了要求具备良好的物化稳定性、较宽 的工作温度范围之外，TFT LCD用液晶材料还须具备以下特性：低粘度，20C时粘度应小于35mPas，以满足快速响应的需 要；高电压保持率(V.H.R)，这意味液晶材料必须具备较高的电阻 率，一般要求至少大于1012Qcm；较低的阈值电压(Vth),以达到低电压驱动，降低功耗的目的；与TFT LCD相匹配的光学各向异性(An)，以消除彩虹效应， 获得较大的对比度和广角视野。An值范围应在

29、0.070.11之间。在TN、STN液晶显示中广泛使用端基为氰基的液晶材料，如含氰 基的联苯类、苯基环己烷类液晶，尽管其具有较高的以及良好的 电光性能，但是研究表明，含端氰基的化合物易于引人离子性杂质， 电压保持率低；其粘度与具有相同分子结构的含氟液晶相比仍较高， 这些不利因素限制了该类化合物在TFT LCD中的应用。酯类液晶具有 合成方法简单、种类繁多的特点，而且相变区间较宽，但其较高的粘 度导致在TFT LCD配方中用量大为减少。因此，开发满足以上要求的 新型液晶化合物成为液晶化学研究工作的重点。目前，在液晶显示材料中，TN-LCD已逐步迈入衰退期，市场需 求逐渐萎缩，而且生产能力过剩，价

30、格竞争激烈，己不具备投资价值。 而STN-LCD将逐渐进入成熟期，市场需求稳步上升，生产技术完全成 熟。而TFT-LCD在全球范围内正进入新一轮快速增长期，市场需求急 剧增长，有望成为21世纪最有发展前途的显示材料之一。高亮度发光二极管材料发光二极管(LED)是采用电阻率较低的P型和n型半导体材料， 通过掺杂，达到较高宽度的能隙，从而达到有效的光辐射通路，获得 可见光辐射的效果，供人类应用。但是在实际生产过程中，绝大多数 半导体材料所具有的是间接能隙，因此不适合做LED材料。而硅和错 等典型的半导体材料虽然很容易制成二极管，但其发光效率极低，但 只能发射红外线。在自然环境中，金刚石是唯一具有较

31、宽能隙的材料， 并能发射可见光，但这种材料制作难度大，而且价格过于昂贵，因此 也不是理想的材料。人类在不断实践、改进、探索过程中，找到AlGaAs 材料、AlGaInP材料、InGaN材料等一元素、三元素、四元素材料。 同时不断改进衬底材料和封装材料，使得在从红色到紫外的整个光谱 范围内都可以找到合适的LED材料。发光二极管(LED)问世于20世纪60年代，1964年III-V族发光材 料GaAsP开发成功，出现了红色LED，峰值波长约为650nm。虽然， 驱动电流为20mA时，单个LED发出的光通量只有千分之几流明，相 应的发光效率只有0 .1 lm/W，但是全固体光源开始被人们接受，主 要

32、用于指示灯领域。70年代，材料研究更加活跃，是LED发展史上的第一个高潮。GaAsP/ GaAs的质量有所提高，并且利用汽相外延(VPE)和液态外延 法(LPE)制作外延材料，如GaPZnO红色LED和GaPN绿色LED，不仅 使光效提高到1 lm/W，而且发光颜色覆盖了从黄绿色到红外的光谱 范围(565940nm)，应用也开始进入显示领域。80年代之后，应用层面逐渐展开，封装技术逐步提高，周边支 持条件也相对形成，促使LED技术得到突破。例如，用LPE技术制作 GaAlAs外延层，制作高亮度红色LED和红外二极管(ILED)，波长分 别为660、880和940nm。随着金属有机化学汽相外延法

33、(MOVPE)的开 发，产生了 780nm半导体激光二极管;用新芯片材料AllnGaP制成的 红色、黄色LED光效可达10lm/W，若采用透明衬底，光效可超过20lm/W。而1994年通过MOVPE研制的第三代半导体材料GaN使蓝、 绿色LED光效达到10lm/W，实现了 LED的全色化。发光二极管材料在90年代有了突破性进展。90年代初，Toshiba 公司和Hewlett Packark公司开发了 InGaAlP材料，该材料具有高发 光功效，可覆盖从黄绿光到红光整个光谱范围。90年代中期，Nichia 公司和Toyoda Gosei公司研发出具有高发光功效的发蓝和纯绿光的 InGaN LE

34、Ds，有史以来第一次生产出能满足户内和户外各种应用的高 亮度全色LED。通常，人们把光强为1 cd作为一般LED和高亮度LED的分界点。 目前，制作高亮度LED的材料主要为AlGaAs、AlGaInP和GaInNAlGaAs 适用于高亮度红光和红外LED，用LPE制造；与GaAs衬底晶格匹配的 四元直接带隙材料AlGaInP的发光二极管量子效率高，发光波长范围 覆盖了从红光到黄绿光，因此高亮度红、橙、黄光光源常常采用 AlGaInP材料来生长器件。高亮度发光管在交通指示灯、全彩色户外 显示及自动显示等方面得到了广泛的应用GaInN适用于高亮度深绿、 蓝、紫及紫外LED，用高温MOVPE制造。自1995年以来，高亮度发光二极管(LED)的市场每年以58.4%的 平均增长速率增长，2000年其销售额已达12亿美元。如此快的增长 速度是由于高亮度LED的性能在不断提高，发光范围扩展到覆盖整个 可见光谱区，使得新的应用不断扩大的结果，这正是以前传统低亮度 比LED不能达到的效果。高亮度LED的性能通