在设计光电导器件时,如何提升器件的综合性能

在设计光电导器件时,如何提升器件的综合性能,第1张

提高半导体。提高半导体光电转换器件的光生电流和光电转换效率,其特点是倾斜半导体光电转换器件,使器件表面与入射光不垂直,而成一定的夹角。光电导器件是利用半导体材料的光电导效应制成的光电导器件是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光电探测器。

光电材料是指用于制造各种光电设备(主要包括各种主、被动光电传感器光信息处理和存储装置及光通信等)的材料,主要包括红外材料、激光材料、光纤材料、非线性光学材料等。

红外探测材料

包括硫化铅、锑化铟、锗掺杂(金、汞)、碲锡铅、碲镉汞、硫酸三甘酞、钽酸锂、锗酸铅、氧化镁等一系列材料,锑化铟和碲镉汞是目前军用红外光电系统采用的主要红外探测材料,特别是碲镉汞(Hg-Cd-Te)材料,是当前较成熟也是各国侧重研究发展的主要红外材料。它可应用于从近红外、中红外、到远红外很宽的波长范围,还具有以光电导、光伏特及光磁电等多种工作方式工作的优点,但该材料也存在化学稳定性差、难于制成大尺寸单晶、大面积均匀性差等缺点,Hg-Cd-Te现已进入薄膜材料研制和应用阶段,为了克服该材料上述的缺点,国际上探索了新的技术途径: (1)用各种薄膜外延技术制备大尺寸晶片,这些技术包括分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)和金属有机化合物气相淀积(MOCVD)等。特别是用MOCVD可以制出大面积、组分均匀、表面状态好的Hg-Cd-Te薄膜,用于制备大面积焦平面阵列红外探测器。国外用MOCVD法已制成面积大于5cm2、均匀性良好、Δx=0.2±0.005、工艺重复性好的碲镉汞单晶薄膜,64×64焦平面器件已用于型号系统、512×512已有样品。 (2)寻找高性能新红外材料取代Hg-Cd-Te,主要包括:①Hg-Mn-Te和Hg-Zn-Te,美国和乌克兰等国从80年代中就开展了这方面的研究,研究表明,Hg1-xZnxTe和Hg1-x CdxZnyTe的光学特性和碲镉汞很相似,但较容易获得大尺寸、低缺陷的单晶,化学稳定性也更高。Hg1-xMnxTe是磁性半导体材料,在磁场中的光伏特性与碲镉汞几乎相同,但它克服了Hg-Te弱键引起的问题。②高温超导材料,现处于研究开发阶段,已有开发成功的产品。 ③Ⅲ-V超晶格量子阱化合物材料,可用于8~14μm远红外探测器,如:InAs/GaSb(应变层超晶格)、GaAs/AlGaAs(量子阱结构)等。 ④SiGe材料,由于SiGe材料具有许多独特的物理性质和重要的应用价值,又与Si平面工艺相容,因此引起了微电子及光电子产业的高度重视。SiGe材料通过控制层厚、组分、应变等,可自由调节材料的光电性能,开辟了硅材料人工设计和能带工程的新纪元,形成国际性研究热潮。Si/GeSi异质结构应用于红外探测器有如下优点:截止波长可在3~30μm较大范围内调节,能保证截止波长有利于优化响应和探测器的冷却要求。Si/GeSi材料的缺点在于量子效率很低,目前利用多个SiGe层来解决这一问题。 〔6〕1996年美国国防部国防技术领域计划将开发先进红外焦平面阵列的工作重点确定为:研制在各种情况下应用(包括监视和夜间/不利气象条件下使用的红外焦平面阵列)的红外探测器材料,其中包括以如下三种材料为基础的薄膜和结构:具有芯片上处理能力的GgCdTe单片薄膜、InAs/GaSb超晶格和SiGe(肖特基势垒器件)。这三种材料也正是当前红外探测材料发展和研究的热点。

红外透波材料

主要用作红外探测器和飞行器中的窗口、头罩或整流罩等,它的最新进展和发展方向如下:(1)目前,在中红外波段采用的红外透过材料有锗盐玻璃、人工多晶锗、氟化镁(MgF2)、人工蓝宝石和氮酸铝等,特别是多晶氟化镁,被认为是综合性能比较好的材料。远红外材料是红外透过材料当前研究发展的重点之一,8~14μm长波红外透过材料有:硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、硫化镧钙(CaLa2S4)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)和锗(Ge)等。ZnS被认为是一种较好的远红外透过材料,在3~12μm范围,厚2mm时,平均透过率大于70%,无吸收峰,采取特殊措施,最大红外透过率达95.8%。国外已采用ZnS作为远红外窗口和头罩材料,象美国的LANTRIRN红外吊舱窗口,Learjel飞机窗口等。美国Norton国际公司先进材料部每年生产上千个ZnS头罩。ZnS多晶体的制备方法主要有两种:热压法与化学气相淀积法(CVD),CVD法制备的材料性能较好。 红外透过材料发展的另一个重要方向是:耐高温红外透过材料的研究。高速飞行器在飞行过程中会对红外窗口和罩材产生高温、高压、强烈的风砂雨水的冲刷和浸蚀,影响红外透过材料的性能,因此需要一系列新型的耐高温、具有综合光学、物理、机械、化学性能的新材料。这些条件下使用的理想材料从室温到1000℃应具有下列特性:在使用波段内具有高透过,低热辐射、散射及双折射,高强度,高导热系数,低热膨胀系数,抗风砂雨水的冲击和浸蚀,耐超声波辐射等。最近研究较多的耐高温红外透过材料有镁铝尖晶石、兰宝石、氧化钇、镧增强氧化钇和铝氧氮化物ALON等。镁铝尖晶石是近年来研究最多的最优秀的红外光学材料之一,它能在高温、高湿、高压、雨水、风砂冲击及太阳暴晒下仍保持其性质,因而是优先选用的耐高温红外透过材料,它可透过200nm到6μm的紫外、可见光及红外光。单晶监宝石也是一种耐高温红外材料,它可透过从远紫外0.17μm到6.5μm的红外光,用新研制的热交换法晶体生长过程可以制造直径达25cm的大尺寸蓝宝石。氧化钇和镧增强氧化钇的透过波长为8μm,在氧化钇中掺入氧化镧,材料强度提高30%,光学特性不变。由于高温下具有很高的硬度,所以它具有很好的抗冲击、抗浸蚀性能。严格的说到目前还没有一种理想的材料能完全满足上述要求。但包括上述材料在内的不少材料具有较理想的综合性质。红外透过材料的第三个发展方向是:红外/毫米波双模材料,这是为适应红外/毫米波双模复合材料制导技术的需要。目前,还没有一种材料能满足红外/毫米波双模材料既要有高的远红外透过率又有小的介电常数和损耗角正切的要求,高性能的红外/毫米波双模材料尚待进一步研究发展。红外材料的应用:包括各种导d的制导、红外预警(包括探测、识别和跟踪、预警卫星、预警飞机、各种侦察机等)、观察瞄准(高能束拦截武器等)。

编辑本段激光材料

目前固体激光器正寻求在可见和近可见光谱范围波长可调,为此而发现的可调谐激光晶体已有30多种,其中,Cr3 离子掺杂新晶体具有较高受激辐射截面和低饱和能量密度,它们的波长范围是:Cr3 :LiCaAlF3为0.72~0.84μm、Cr3 :LiSrAlF6为0.78~1.01μm,特别是Cr:LiSAF,它的饱和能量密度为5J/cm2,在激光调谐范围,荧光寿命、激光效率、热透镜效应等方面具有良好的性能。

编辑本段军事应用

军用光电材料研究的目的是将研究成果应用于新一代高技术光电子装备系统,提高电子进攻和防卫综合电子战的能力。军用光电材料是军用光电子技术的重要基础,对军用光电子装备系统有重要的赋能和倍增作用。以红外材料为基础的光电成像夜视技术能增强坦克、装甲车、飞机、军舰及步兵的夜战能力,为航空、卫星侦察、预警提供重要手段,成像制导技术可大大提高导d的命中率和抗干扰能力。以新型固体激光材料为基础的激光测距、激光致盲武器和火控制系统等使作战能力大大加强。可调谐激光晶体为从可见光到红外波段可调谐激光系统提供工作物质可提高激光雷达、空中传感和水下探测等军用激光系统的领域监视、侦察能力。利用光纤材料、宽带、抗电磁和强核电磁脉冲干扰、保密、体积小、环境适应性强和抗辐照等优点,可实现地面武器系统无人远距离传感阵和有人控制站之间的GB/s级信息传输;舰船指挥可以通过光纤为远距离舰队发送信号,进行指挥;飞机将能发射光纤携绳的机载无人加强飞机或靶机;以往的武器有线制导将被光纤制导所取代;军用运载体的惯性导航系统将被光纤陀螺所取代;战略武器发射的C3I系统也将启用光纤C3I网络等等。总之,军用光纤系统的应用,将远远超越话音和低速率数据通信的范围,而进入传感、海上或空中武器平台及各种高速率传输系统。

半导体行业的产业链主要是由芯片设计 、 代工制造 、 封装测试三部分 , 以及产业链外部的材料 , 设备供应商组成 。

半导体细分领域

【设计工具】

EDA软件

半导体设计: 民德电子、欧比特(IC设计)、寒武纪(SOC芯片设计)、格科微、华微电子、力合微(芯片设计原厂)

【芯片设计】

集成电路包括存储芯片(NANDFlash、NORFlash、DRAM)、CPU、GPU、MCU、FPGA、DSP、触控与指纹识别芯片、射频前端芯片、模拟芯片。

存储芯片: 兆易创新、北京君正、国科微、聚辰股份(NORFlash)

CPU(中央处理器): 、中科曙光、长电 科技

GPU(图形处理器): 景嘉微

MCU(微控制器): 兆易创新、富满微、芯海 科技 、*ST大唐、力合微

FPGA(半定制电路芯片): 紫光国微、复旦微电、安路 科技

DSP(数字信号处理器): 国睿 科技 、四创电子、力合微

触控与指纹识别芯片: 汇顶 科技 、兆易创新

射频前端芯片: 卓胜微、三安光电、富满微、立昂微(6英寸砷化镓微波射频芯片)、艾为电子

模拟芯片: 圣邦股份、韦尔股份、汇顶 科技 、北京君正、芯海 科技 (模拟信号链)、亚光 科技 (孙公司华光瑞芯是模拟芯片研发生产商)、艾为电子

数字芯片: 晶晨股份、乐鑫 科技 、瑞芯微、全志 科技

功率芯片: 斯达半导、捷捷微电、晶丰明源

WiFi芯片: 华胜天成、博通集成

2.光电器件

LED: 三安光电(砷化镓、氮化镓、碳化硅、磷化铟、氮化铝、蓝宝石等半导体新材料所涉及的外延片、芯片)、洲明 科技 、华灿光电(LED外延片及全色系LED芯片)、聚灿光电(GaN基高亮度LED外延片、芯片)、乾照光电(全色系LED外延片和芯片)、利亚德

Miniled: 京东方A、TCL

3.分立器件包含IGBT、MOSFET、功率二极管、晶闸管、晶振、电容电阻

IGBT: 斯达半导、时代电气、台基股份、士兰微、扬杰 科技 、紫光国微、华微电子、新洁能

MOSFET: 华润微、士兰微、富满微、立昂微、扬杰 科技 、银河微电、捷捷微电、苏州固锝、新洁能

功率二极管: 扬杰 科技 、台基股份(整流管)、士兰微(快恢复二极管FRD、瞬态抑制二极管TVS、发光二极管)、银河微电、华微电子、苏州固锝

晶闸管: 捷捷微电、台基股份、捷捷微电、派瑞股份(高压直流阀用晶闸)

晶振: 泰晶 科技

电容电阻: 风华高科

4.传感器

敏芯股份(MEMS传感器)、华润微(智能传感器)、士兰微(MEMS传感器)、光莆股份(半导体光电传感器)

【代工制造】

晶圆加工: 中芯国际

开放式晶圆制造: 华润微

MEMS晶圆制造: 赛微电子

【封装测试】

长电 科技 、通富微电、华天 科技 、晶方 科技 、康强电子、华润微、大港股份、气派 科技 、华微电子、兴森 科技 (半导体测试板)、苏州固锝

【晶圆制作材料】

硅片: 沪硅产业、中环股份、立昂微(半导体硅片)、神工股份(单晶硅材料)、中晶 科技

光刻胶: 南大光电、容大感光、飞凯材料、晶瑞股份、雅克 科技 、安泰 科技

特种气体: 华特气体、雅克 科技

湿电子化学品: 江化微

靶材: 江丰电子、隆华 科技 、有研新材、阿石创(溅射靶材)、江丰电子(高纯溅射靶材)

CMP抛光材料: 安集 科技 、鼎龙股份

高纯试剂: 上海新阳、晶瑞股份、

【第三代半导体】

氮化镓GaN :富满电子、奥海 科技 (氮化镓充电器)、聚灿光电(GaN基高亮度LED外延片、芯片)、闻泰 科技 、赛微电子[6-8英寸硅基氮化镓(GaN-on-Si)、碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)]、海能实业(快充氮化镓产品)、兆驰股份[兆驰半导体生产蓝绿光(GaN)与红黄光(GaAs)外延及芯片]、亚光 科技

碳化硅Sic: 露笑 科技 (碳化硅衬底片、外延片)、楚江新材、闻泰 科技 、天富能源(Sic衬底环节,参股天科合达)、三安光电(砷化物、氮化物、磷化物及碳化硅等化合物半导体新材料所涉及的外延片、芯片)、时代电气、捷捷微电、温州宏丰(碳化硅单晶研发)、紫光国微、晶盛机电(碳化硅长晶设备)、甘化科工(参股苏州锴威特半导体)、东尼电子、易事特

【设备】

光刻机:

刻蚀机: 中微公司(等离子体刻蚀设备、CPP,ICP)、芯源微(湿法刻蚀机)、北方华创

离子注入设备: 万业企业

炉管设备: 北方华创、晶盛机电

清洗设备: 北方华创、至纯 科技 (半导体湿法清洗设备研发)、芯源微

检测设备: 精测电子、华峰测控、长川 科技

物理气相沉积设备PVD: 北方华创、华亚智能(半导体设备领域结构件)

化学气相沉积设备CVD: 北方华创、晶盛机电、华亚智能(半导体设备领域结构件)

涂胶/显影机: 芯源微

喷胶机: 芯源微

原子层沉积设备ALD: 北方华创

MOCVD设备: 中微公司

半导体微组装设备: 易天股份

【其他】

华为海思半导体供应商: 铭普光磁

掩膜版: 清溢光电

PVD镀膜材料: 阿石创

镀膜设备: 立霸股份(参股拓荆 科技 )

印刷电路板PCB: 澳弘电子、协和电子、华正新材[覆铜板(CCL)]、兴森 科技 、金安国纪、迅捷兴、本川智能、胜宏 科技 、四会富仕、超声电子、奥士康、沪电股份、明阳电路、广东骏亚

单晶拉制炉热场系统: 金博股份

工业视觉装备: 天准 科技

石英晶体: 惠伦晶体、东晶电子

电容器: 江海股份、艾华集团、铜峰电子

FPC线路板: 风华高科、*ST丹邦


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