關(guān)于半導(dǎo)體光電信息功能材料的研究進展

甘佳偉 朱奧琪 湖北科技學院電子與信息工程學院

引言

人類早期之間的語言交流是便于生存勞作，這種語言交流就是最簡單的信息傳遞，信息傳遞不僅有復(fù)雜簡單之分，還有快慢之分。顯而易見，信息傳遞的速度越快對人類的生產(chǎn)生活越有利，所以在人類發(fā)展的歷史長河中一直伴隨著對信息傳遞速度的追求。人類從利用馬匹傳遞信息，到早期電臺、電話再到如今的光纖通信技術(shù)和5G 通信技術(shù)。不難發(fā)現(xiàn)，伴隨著半導(dǎo)體信息功能材料的出現(xiàn)及應(yīng)用，人類信息傳遞速度有了飛速的提高。在當代半導(dǎo)體光電信息功能材料已經(jīng)被融入到各個領(lǐng)域，尤其是作為信息傳輸線路和各種傳感器被廣泛的應(yīng)用。由于高端半導(dǎo)體信息功能材料的制造工藝技術(shù)被美國等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)巨頭國家封鎖，當下對中國而言對半導(dǎo)體光電信息功能材料的研究迫在眉睫而且非常重要。

1 半導(dǎo)體光電信息材料發(fā)展歷史

半導(dǎo)體光電信息材料的理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體光電子學，半導(dǎo)體光電子學是探究半導(dǎo)體材料中光子與電子的相互作用，光能與電能之間相互轉(zhuǎn)換的研究。涵蓋量子力學，固體物理，半導(dǎo)體物理等基礎(chǔ)物理學科。

1873 年，史密斯（W. Smith）發(fā)現(xiàn)“不良導(dǎo)體”在光作用下電導(dǎo)增加現(xiàn)象，這啟發(fā)了半導(dǎo)體光電子學的產(chǎn)生。1905 年愛因斯坦提出光子學說為后來研究和發(fā)展半導(dǎo)體光電子學說奠定了基礎(chǔ)。到20 世紀前半葉發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)對半導(dǎo)體性能產(chǎn)生影響。后來形成了半導(dǎo)體物理學，為1947 年出現(xiàn)晶體管和氣候的微電子學奠定了理論基礎(chǔ)。

系統(tǒng)的研究半導(dǎo)體材料中光子和電子的相互作用、光能與電能的相互轉(zhuǎn)換使之成為當今最具有發(fā)展前景的半導(dǎo)體光電子學。由于光纖通信的強烈需求拉動了半導(dǎo)體光電信息材料的高速發(fā)展。

2 半導(dǎo)體光電信息材料的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 半導(dǎo)體光電信息材料傳感器

在傳感器領(lǐng)域，由于半導(dǎo)體光電信息材料具有光電子效應(yīng)，所以傳統(tǒng)光電傳感器的原理大多是利用光電子效應(yīng)制成傳感器。如硅材料。硅材料在接觸光照后在其內(nèi)部會產(chǎn)生光電流，所以大部分光電信息材料傳感器是可通過硅材料器件與電流放大電路構(gòu)成傳感器，如光功率探頭傳感器件。CCD 和CMOS 光電耦合器件也是應(yīng)用廣泛的光電信息功能材料傳感器。

2.2 半導(dǎo)體信息功能材料在芯片方面的應(yīng)用

談到芯片就不得不提及光電信息功能材料，芯片的內(nèi)部構(gòu)造簡單來講就是通過半導(dǎo)體材料構(gòu)成邏輯電路實現(xiàn)相應(yīng)功能，當下中國制造芯片的技術(shù)仍然屬于起步狀態(tài)，很多制造設(shè)備和關(guān)鍵材料仍然只能依靠進口國外產(chǎn)品，制造芯片包含設(shè)計、制造、封測三大流程，目前中國在芯片領(lǐng)域的封測技術(shù)較強，設(shè)計和制造技術(shù)雖經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展但限于芯片設(shè)備和制作工藝的制約仍然與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)達國家有差距。

2018年美國禁止中興通訊從美國采購包括芯片在內(nèi)的敏感產(chǎn)品，2019 年美國又對華為技術(shù)有限公司發(fā)布禁售令，種種跡象可以說明，中國要擺脫別國芯片封鎖就必須大力發(fā)展半導(dǎo)體光電信息材料。

2.3 半導(dǎo)體信息功能材料在量子通信方面的應(yīng)用

近年來通信技術(shù)蓬勃發(fā)展，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益完善，移動通信業(yè)務(wù)和設(shè)備的增長和普及，人類對通信技術(shù)的需求標準越來越高，量子阱材料和超晶格材料的出現(xiàn)及應(yīng)用開辟了新的通訊方法。量子阱材料的應(yīng)用克服了原有半導(dǎo)體材料的應(yīng)用局限性，經(jīng)過多年發(fā)展，中國的量子通信技術(shù)處于世界級領(lǐng)先水平。量子通信技術(shù)在軍事對抗、發(fā)展量子計算機、自由空間通信等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用空間。

3 半導(dǎo)體光電信息材料后期發(fā)展方向

對半導(dǎo)體企業(yè)來講當下最重要的是發(fā)展技術(shù)，進行技術(shù)突破沒有屬于自己的技術(shù)始終受制于人。對高校、研究所等教育機構(gòu)來講要培養(yǎng)高質(zhì)量的技術(shù)性人才來推動技術(shù)發(fā)展、技術(shù)突破。對相關(guān)研究機構(gòu)來講在現(xiàn)有理論基礎(chǔ)上探究如何制備新材料，探究材料新性能、性效應(yīng)，并探討如何將新理論投入應(yīng)用。

只有這三者相互促進相互推動中國半導(dǎo)體光電信息材料這個產(chǎn)業(yè)才能穩(wěn)步向前發(fā)展。

4 結(jié)束語

現(xiàn)如今人們對信息交互的速度追求越來越高甚至在某些高科技領(lǐng)域常規(guī)通訊手段已經(jīng)不能滿足需求所以發(fā)展半導(dǎo)體光電信息功能材料顯得尤為重要。而且半導(dǎo)體光電信息功能材料的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域中，不僅僅是國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)需要，相當多的民用設(shè)備也對半導(dǎo)體信息功能材料需求量較大。在不久的未來，大數(shù)據(jù)時代的臨絕對少不了半導(dǎo)體光電信息功能材料的發(fā)展。光電信息材料的發(fā)展不僅能帶動其他產(chǎn)業(yè)的進步，同樣也是國家戰(zhàn)略性研究課題。對于現(xiàn)階段中國的科技發(fā)展狀況來說發(fā)展半導(dǎo)體光電功能材料絕對是必不可少的，發(fā)展半導(dǎo)體光電信息功能材料利國利民。