光电材料与器件.docx
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光电材料与器件
光电材料与器件
扌商要：
本文中主要介绍了光电材料与器件的基本概念，还有其发展的背景条件，和在相关领域的一些应用（通讯、光伏发电等），以及对新型光电材料的一些研究进展。
从而使读者能够对光电材料与器件有一个初步了解，进而对其产生研究探索的兴趣。
关键词光电材料；光电器件；光伏发电
Optoelectronicmaterialsanddevices
Abstract：
Tliisarticlemainlyintroducesthebasicconceptofoptoelectronicmatedalsanddevices,anditsbackgroundconditionsofdevelopment,andsomeapplicationinrelatedfields（communications,photovoltaicpowergeneration,etc.）,andsomeresearchprogressofnewtypeofphotoelectricmaterials.Sothatthereaderscanhaveapreliminaiyknowledgeofoptoelectronicmaterialsanddevices,andhaveintereststoexploremoreaboutthem.
Keywoids：
photovoltaicmaterials;Photoelectiicdevice;Photovoltaicpowergeneration
光电材料与器件
1.光电材料与器件简介⑴
1.1光电材料简介
光电材料是指用于制造各种光电器件（主要包括各种主、被动光电传感器、光信息处理、信息存储和光通信等器件）的材料。
具有信息产生、传输、转换、检测、存储、调制、处理和显示等功能。
主要包括红外材料、激光材料、光纤材料、非线性光学材料等。
光电材料不仅是现代信息社会的支柱，也是信息技术革命的先导：
光电材料的研究是当代科学的前沿，具有多学科交叉的特点，是一个极富创造和挑战的领域。
光电材料是整个光电产业的基础和先导。
光电子产业概况
产业类别
产业内容
光电子材料与元件
光电材料
光学玻璃、光塑料、光学晶体、半导体光电材料及外延材料等
光电元件
发光器件、光探测/接收元件、太阳能电池等
光电显示
LED显示、液晶显示、等离子体显示、有机发光二极管、有机电致发光显示、场致发光显示等
光输入/出
扫描仪、表格阅读机、文字识别机、数码相机、激光打印机、激光复卬机、光传真机等
光存储
CD、VCD、DVD及光盘机、刻录机等
光通信
元器件
单模/多模光纤、光纤连接器等
有源器件
光放大器、光源-光纤耦合器、光源■探测器耦合器、光源TO封装器件、光泵浦器件等
无源器件
光开关、光耦合器、光衰减器、光隔离器、分光器、波分复用器等
系统与设备
光纤传输设备、光纤区域网络设备、光纤通信检测与监控设备、光纤CATV系统等
激光及其它应用
激光器
半导体激光器、固体激光器、气体激光器、染料激光器、准分子激光器等
_r
激光工业加工、激光医疗、激光武器、激光科研及其它应用
其它
光传感器（光电、声光、光纤等）、光学器材等
光电材料一激光材料
光纤一玻璃纤维
光电材料主要包括：
III-V族的化合物半导体光电材料；有机半导体光电材料：
无机晶体和石英玻璃：
III-V族的元素可以任意组合形成许多化合物半导体材料，例如AlGaAs、InGaAsN等。
目前，大多数商用半导体光电器件由GaAs基，InP基和GaN基化合物半导体材料系统制成，广泛用于光通信网络、光电显示、光电存储、光电转换和光电探测等领域。
1.2光电器件
光电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。
新产品新技术不断涌现由光电材料制成的光电器件和产品正逐渐应用于信息产业的每一个重要环节，从信息的获取、处理、传输到信息的存储和显示，信息产业对信息相关产品的高速、大容量、高清晰、超薄和超轻的不断要求，推动者光电产业的持续高速发展，光电新产品和新技术不断涌现。
其中，光通信产品与相关系统及其组件、光电显示、光通信和光存储是目前光电产业最主要的几个应用领域。
1.2.1光电传感系统及其相关器件
在光通信产品与相关系统及其组件方面，国内外主要发展的光电产品和系统包括新型的光纤光缆（氛化物玻璃光纤、掺弭光纤、塑料光纤等）、10Gb/s以上的超高速、大容量SDH光传输系统，密集波分复用（DWDM）光纤通信系统UPoverDWDM系统、全光网络产品与系统、光有源器件（发送接收模块、光放大器、激光器、探测器等）、光无源器件（主要包括光纤连接器、光纤耦合器、光滤波器、波分复用/解复用器、光栅、波导光开关、光衰减器和光隔离器等）、光子集成（PIC）和光电集成（OEIC）器件和模块。
1.2.2光电显示领域
在光电显示领域，以液晶显示（LCD）为主流的平面显示器件产品几乎已全面地取代了传统的CRT（阴极射线管）产品，进入新世纪后，世界平面显示器件产品的市场就已达到约280亿美元的规模，现在每年以10%-15%的速率增长。
在光电平面显示器件和产品中，液晶已经渗透到显示器件的每一个领域：
等离子显示屏（PDP）在42英寸以上的大尺寸彩电已经实现商品化并占据主导地位；被誉为梦幻显示的有机电致发光显示器件（OLED）也开始在手机、数码相机、PDA等小尺寸显示领域得到应用。
GaN基蓝光发光二极管（LED）的研制成功和商用器件的面世，为LED产品的全彩显示和白光照明提供了可能，并在世界范围掀起了一场蓝光热和照明革命。
1.2.3半导体激光器与光存储.
半导体激光器的成功开发，使CD-ROM>VCD和DVD为代表的数字光盘成为当今多媒体信息时代不可缺少的存储技术之一，己广泛应用于计算机存储、数字家电、广播电视、车载导航利电子出版等领域。
光存储正沿着CD-DVD—三维全息存储的方向发展。
1.2.4有机光电：
光电产业的新未来.
近年來，有机及有机、无机复合光电材料与器件研究和应用取得了重大进步和发
展，引起了国际光电学术界、产业界的高度重视。
有机材料以其快速、高密度、廉价等优点成为正在崛起的新一代光电信息材料。
以有机材料为基础的光电器件，如有机电致发光显示器（OLED）、塑料光纤、有机薄膜激光器、聚合物基全息光存储器、有机波导器件、有机晶体管与场效应管、有机光开关等的开发和产业化将推动光电产业到达一个新的高度。
曾有专家共至预言“光电产业的未來属于有机光电”。
2.光电子材料的产业背景与战略意义⑵
微电子技术是研究电子的运动规律，并应用于电子器件、电子电路和设备的技术。
光电子技术则是同时研究光与电、即光子或光波与电子的相互作用的一门技术，它包括光电子能源技术和光电子信息技术。
从发展趋势看，微电子技术与光电子技术将进一步深度融合，例如将光电器件和电子器件在同一块衬底上进行单片集成，构成所谓光电子集成电路（OEIC）,光电集成一方而可以提高了系统的工作频率，另一方而也可提高系统集成的可靠性，还带來降低系统集成成本和减小体积等一系列好处。
同集成电路产业对半导体材料的依赖一样，光电材料是整个光电产业的基础和先导。
有机光电子材料的另一个优点是可以实现更大面积的制造，具有更薄、更轻及柔性化的特征，能满足现代电子产品轻薄、便携及易r设计的需求。
并可以实现相对更简单的制造工艺和更低的生产成本。
目前，在PCB、平面显示、太阳能电池等领域，使用有机高分子材料作为柔性基板材料的技术已经接近商品化，将来的计算机等电子产品可以像报纸一样卷折起来，放在口袋中，给人们提供极大的方便。
用作光纤的有机高分子材料必须具有极好的光学性能，由折射率不同的材料分别构成纤芯与包层。
与石英光纤相比，塑料光纤更柔软、易弯曲、芯径大易耦合、抗电磁干扰、制造简单、成本低，可广泛用於短距离数据通信、传感系统以及广告牌等。
用作纤芯的有机材料有聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚甲基矽氧烷等。
用作包层的有机材料有氛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基戊烯等。
光电子技术是继微电子技术之後30多年來迅猛发展起來的综合性技术，以其强大的生命力推动苦光电子（光子）技术与产业的发展，随菩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光电子信息技术和产业。
至今光电子技术的应用己涉及科技、经济、军事和社会发展的各个领域，光电子产业己成为本世纪的支柱产业之
3.光电子信息材料产业的国内外发展现状及趋势⑸
光电子材料按其功能可分以下儿大类：
（1）发光（包括激光）材料；
（2）光电显示材料；（3）光存储材料；（4）光电探测器材料；（5）光学功能材料：
（6）光电转换材料；（7）光电集成材料。
从材料组成分，则有半导体光电子材料、无机晶体和石英玻和有机光电子材料。
目前研发热点包插激光晶体材料、液晶显示材料、高亮度发光二极管材料、光纤材料等。
半导体光电材料包括第一代硅基半导体材料，第二代以帥化镣为代表的iii-v族化合物半导体材料，第三代以氮化镣和碳化硅为代表的宽带隙半导体材料。
硅基半导体材料目前发展的主流仍是增单晶硅片的直径，现在由8英寸向12英寸的过渡基本完成，正向16英寸到18英寸发展，预计今后儿年18英寸硅片将投入生产。
硅基光电集成一直在努力研究，将成为21世纪光电子技术发展的一个重要方向。
其中如何提高硅垄材料发光效率是关键。
经过长期努力，前儿年在硅基异质结电注入高效发光和电泵激射方面的研究获得了突破性进展，这使人们看到了硅基光电集成的前景。
II-V族的元素可以任意组合形成许多化合物半导体材料，目前，大多数商用半导体光电器件由GaAs基，InP基和GaN基化合物半导体材料系统制成，广泛用于光通信网络、光电显示、光电存储、光电转换和光电探测等领域。
第三代（高温、宽带隙）半导体材和器件，主要指的是III族氮化物，碳化硅（SiC），氧化锌（ZnO）和金刚石等，它们不仅是研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件、电路的理想材料，而且III族氮化物和ZnO等还是优异的短波长光电子材料。
光电子信息材料总的发展趋势是以提高超大容量信息传输、超快实时信息处理和超高密度信息存储为目标，加快信息载体从电子向光电子和光子的转换步伐，发展高性能、高功能、高集成度的材料和器件。
目前光电子信息材料已由体材料发展到薄层、超薄层微结构材料，并正向集材料、器件、电路为一体的功能系统集成芯片材料、有机/无机复合、有机/无机与纳米结构复合的方向发展；同时伴随着材料系统由均匀到非均匀、由线性到非线性和由平衡态到非平衡态发展：
材料生长制备的控制精度也将向单原子、单分子尺度发展。
从光电子主要材料细分，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。
（1）激光晶体材料：
激光晶体材料是各种激光器必不可少的原料，其技术优势好坏直接决定着激光器质量好坏。
目前总的发展趋势是向着大尺寸、高功率、LD泵浦、宽带可调谐以及新波长、多功能应用等方面。
激光晶体屮以Nd:
YAG最成熟，应用最广，产量最大。
是至今仍是综合特性最优良的固体激光材料。
激光器和激光技术广泛应用于光通讯、计算机和音像设备、机械加匸设备、医疗
设备、高能物理和军事设备等，极大地加速了信息产业发展和整个科学技术的发展。
按不同的工作物质激光器可以分为固体激光器、气体激光器、半导体激光摺等。
固体激光器峰值功率高，多用在工业加工、医疗等。
气体激光器输出能量大，多用在大功率加匸设备和军事装备。
半导体激光器是国内外发展较快的激光器，在整个激光器件市场超过50%,例如光通讯中的光源、激光唱机和影碟机的光头都是采用半导体激光器。
就激光晶体、器件及应用整个领域的产业水平来看，美国、英国等居于世界前列。
在激光晶体材料的生产上，口本、中国、和前苏联的一些国家如俄罗斯、乌克兰、立陶宛等，占有重要的地位。
而美国和欧洲一些国家则主要侧重于非线性晶体器件及设备的制造。
我国激光晶体材料产业呈现岀良好的发展周面。
目前从事各处激光晶体材料生产的企业达到500多家，主要集中在华东，华南、东北以及东北主产区，企业资产保持率近年来持续上升。
随着我国总体经济的迅速发展，激光晶体材料行业也随着迅速发展壮大。
军工、
光电子等行业的发展将带动激光晶体材料行业的快速发展。
（2）液晶显示材料：
从上世纪70年代开始，液晶显示材料大致可分为三个发展历程，从最卩的TN-LCD到80年代的SIN-LCD,从90年代开始研发到现在仍在快速发展的TFT-LCD,应用范围也从最初的手表，计算器显示屏发展到现在的笔记本电脑和大尺寸彩色电视显示屏。
受笔记本电脑和液晶电视大量需求和降低成本的双亜驱动，TFT-LCD发展很快，目前重点发展的是第五代到第八代线的产品。
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度、高稳定性、适当的光学各相异性和阈值电压。
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，价格竞爭激烈，己不具备投资价值。
而STN-LCD已进入成熟期，生产技术完全成熟，市场需求稳步上升。
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。
在TFT-LCD产业链中，上游的设备和原材料是中游TFT-LCD而板产业发展的必要皋础。
现在的问题是，我们的TFT器件产业起来了，但半板显示产业链并不完善，许多配套的原材料仍以外商供应为主，国产率低，现在除了背光源在相当程度上可满足TFT模块的要求外，儿乎所有TFT器件生产所需要的材料都要进口。
这就大大增加了成本，不利于产业健康发展。
因此，大力发展TFT-LCD相关材料成了行业的共同任务和当务Z急。
发展重点是加快突破提纯和混配的产业化技术，形成TFT混合液晶材料的产业化。
（3）高亮度发光二极管材料：
主要应用为半导体照明。
继规模生产发红、橙、黄色的GaAs基、GaP基外延材料之后，拓宽发光波段，开发发蓝光的GaN基、ZnSe基外延材料将成为研究热点。
LED作为照明光源，越来越显现出巨大潜力。
半导体照明节能、环保效果显著，是缓解能源紧张的有效途径之一。
在我国，照明用电约占总发电量的12%左右。
因此，照明节能是实现节约能源的有效途径。
半导体照明技术的先进性和产品应用的广泛性，己成为21世纪最具发展前景的高技术领域之一。
据iSuppli指出，2007年全球LED产业增长率为13.7%,2006年到2012年间市场年平均增长率将达到14.6%,预计2012年产值将达到123亿美元。
随着LED应用领域的不断扩大以及市场的高速发展，其在手机键盘、显示器背光源固态照明、汽车内部照明、大尺寸液晶电视与笔记型计算机背光源用等新兴应用领域市场需求将出现较快增长，术來还将走入室内装漬以及建筑照等应用领域。
我国的LED产业近几年发展迅速，产业化关键技术取得较大突破，己开发出140多种市场急需的特殊照明应用产品。
并且通过跨领域技术联合攻关，完善了从外延到芯片制作、器件封装及应用的研发体系，产业化的成效带动了半导体照明行业的整体发展。
儿年来，我国还建立了7个国家半导体照明工程产业化基地，在人才培养、标准制定、专利战略、整合资源和与国际及区域合作方面都取得了很大进展。
总体看，我国LED完整的产业链己基本形成，在上游外延生长、中游芯片、下游
封装与应用各环节均已进入量产阶段，不过目前在相应的关键设备方面还非常薄弱。
据专家介绍，上游外延材料己实现了量产，但产业化水平不高，而外延和芯片制造的关键设备主要还是依赖进口；中游芯片制造与国外差距不大，GaN基LED芯片依赖进口的局面正在改变，但企业规模与国外大公司相比差距较大：
下游封装实现了大批量生产，我国正在成为世界重要的中低端LED封装基地：
半导体照明光源及灯具已批量出口销售。
我国LED市场规模半均增长率为34%。
己成为世界重要的中低端LED封装生产基地。
OLED有机发光材料：
备受关注。
OLED的自发光、结构简单、超轻薄、响应速度快、宽视角、低功耗及可实现柔性显示等特性；再加上生产设备投资远小于TFT-LCD,已成为显示技术领域中第三代显示器件的主流。
我国驿OLED产业发展高度关注，近年来OLED研发取得了突破性进展。
2008年10月，由清华大学组建的维信诺公司在昆山成功建成中国内地第一条OLED大规模生产线，实现了小尺寸OLED显示屏的量产。
截止到2008年年底，中国内地主要有昆山维信诺、汕尾信利、四川虹视等企业从事小尺寸OLED生产。
而中国第一个AMOLED产业化项目已于2008年11月7口在广东佛山南海正式启动。
该项目首期投资5亿港元，建设多条AMOLED显示屏生产线，计划年产5000万块2英寸全彩OLED显示屏。
该项目二、三期将逐步增资，建设第五代生产线，生产26英寸以下的中尺寸全彩AMOLED显示屏；未来还将建设第八代TFT-AMOLED显示屏生产线，可制造大中尺寸的AMOLED电视机。
该项目计划2009年9月调试，第一条生产15英寸OLED显示屏的生产线投产。
但就目前而言，中国虽具有一定的OLED产业基础，但产业链尚未现成。
中国没有而向产业化的成套OLED生产设备制造厂商，关键设备以及整套设备的系统化技术等都第握在II本、韩国和欧洲企业手中。
由于中国TFT技术发展滞后，面板的制备技术薄弱，因此在有源OLED的生产工艺开发方面难度较大。
此外，中国资本市场不够成熟，企业融资的渠道狭窄。
国家在基础研究、行业标准、行业资源整合方面的角色还有待强化，同时缺乏OLED产业的生产、开发及管理人才，这些都是中国OLED产业化的弱点。
由于OLED是技术资金密集型产业，也是信息产业前沿技术，需要国家相关部门站在战略的高度对OLED产业进行整体规划，集中资源，强化口主创新，引导和鼓励企业加入OLED产业链并给予资金支持，形成可持续发展的能力。
（4）光纤材料：
光纤材料总体发展趋势是向着不断扩展通信容量，降低损耗，增加传输距离，降低色散，提高带宽，抑制非线性效应，实现密集波分复用以及高灵敏度传感方向发展。
光纤预制棒的生产制造由单一工艺（LCVD、PCVD、OVD和VAD）向着混合工艺方向发展，不断增大预制棒尺寸（单棒拉丝长度）。
我国光纤产业面临新的发展机遇「'十二五”期间，国家将投资3000多亿，加强对对3G网、物流网、智能网及三网融合的建设。
此外，各地对光纤产业的发展也十分重视：
2009年9刀，天津鑫茂科技股份有限公司与武汉长飞光纤光缆有限公司联合，合资2.2亿元共同组建天津长飞鑫茂光通信有限公司，正式落户天津滨海高新区。
2009年11月，投资26.3亿元的东方光大集团通信级塑料光纤产业园在重庆江津双福新区开工建设，计划于2011年全部建成。
不仅是中国，美国有关机构最近在给美国国会的一份建议中提到，到2015年，把入户宽带提升到50M,到2020年提升到100M,其规模是1亿个家庭。
随着3G网络的建设、光纤到户（FTTH）在国内的大范圉推广，光纤市场规模迅速扩容，政策的导向和支持，将快速推进光纤产业的发展。
另一方面，国外光通信厂商看好中国发展前景，纷纷前来投资合作，中外企业由竞争开始走向竞合，众多国外厂商的加盟，这有利于我国光纤产业的整体发展和技术水平提高。
但我国光纤产业发展中而临的一些问题需要引起高度重视：
（1）我国光纤产业的自主创新能力有待加强。
我国光纤通信起步较晚，在光纤研发、生产以及核心技术、关键环节等方面，与国外相比还存在一定差距，特别是预制棒的研发、量产化虽然有重大进展，但仍有70%左右依赖于进口。
（2）光纤通信产业链上下游的协调沟通有待加强。
目前面临的业务需求、产品标准化和规模化生产等问题，需耍产业链上下游企业紧密配合。
（3）谨防产能过剩风险。
由于光纤具有产业链长、经济倍增效益明显等特点，国内许多省市都出台了相关的产业发展规划，一些地方共至出现产能过剩、无序竞争的势头，急需在国家层面加强引导。
4.聚合物光伏材料与器件研究进展⑷
能源问题是世界各国十分关注的重大问题。
太阳能是未来人类最理想的替代能源，如何充分利用太阳能，己成为各国重点开展的研究课题。
将太阳能转换成电能的太阳电池成为各国科学界研究的热点和产业界开发、推广的重点。
目前，研究和开发的太阳电池包括单晶硅、多晶硅、无定型硅、单晶GaAs、TiO：
有机染料敏化和有机/聚合物太阳电池等.前3种硅基太阳电池己实现了商品化，世界上接近90%的太阳电池用高纯度的硅制成.在性价比方面，传统的太阳能模块电池比石油能源贵3鸽倍，严重制约和限制了其大规模推广应用。
相比之下,利用有机半导体制备光伏器件可以部分解决无机太阳电池面临的难题。
特别是聚合物本体异质结太阳电池，综合了共轨聚合物所兼备的优良半导体特性（例如，通过改变共轨链长度、替换取代基、调整主、侧链结构及组成等方法改变化学结构，从而调节共辄聚合物的电子结构和吸收带）和机械加工特性.通过在室温下配制溶液，旋转涂膜、喷涂等成膜，或者•用滚筒印刷、喷墨打印的方式，制备质最轻、柔性好、成本低廉的大而积太阳电池。
因此这类太阳电池具有重要的发展和应用前最。
聚合物本体异质结太阳电池，一般由共轨聚合物，如唾吩及其衍生物的均聚物（P3HT）或与其窄带隙单体的共聚物、聚对苯乙撑及其烯衍生物（PPV,MEH-PPV,MDMO-PPV等）、笏与其窄带隙单体的共聚物等作为电子给体和PCBM受体的共混膜（光敏活性层）夹在透明导电ITO玻璃电极邙日极）和金屈阴极之间组成。
尽管目前聚合物太阳电池能最转换效率已经达到8%以上，但是与无机半导体太阳电池相比，其效率仍比较低，因此，进一步提高能量转换效率是当前聚合物太阳电池研究的重点。
目前，聚合物光伏材料存在的主要问题包括：
（1）吸收光谱与太阳光谱不匹配，这使得太阳光利用率低；
（2）器件的开路电压与理论值有一定偏离，尚有较大的改善空间；（3）电荷载流子迁移率低并且空穴/电子迁移率不平衡，易于产生空间电荷，致使光生载流子通过多种途径（如双分子复合）损耗…为了解决这些问题，一系列新型的共轨聚合物给体材料被合成，相应性能与器件的研究结果也被报道，这些聚合物有效地拓宽了共辘聚合物的可见区吸收光谱，提高了空穴载流子迁移率•特别是最近几年，使用具有合适电子结构和良好光电特性的窄带隙电子给体材料已被证实是提高聚合物电池能量转换效率的一个关键手段。
5.两种半导体光电材料⑸
5・llnCaNAs
随着GaN,InGaN,AlGaN等N化物的二元、三元材料与器件的开发成功，人们乂开展了InCaNAs等四元材料的研究。
这种新材料完全可以作到和GaAS晶格相匹配，也可以达到小于1.5%的压应变，它们是直接带隙材料，并有适合长波长（1.3pm1.55pm）激光器工作的带隙能量（0.8-1.OeV）GalllNAo和GaAs异质能带结构与InP和
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