光电子技术的“破茧”之路

■本报记者 胡珉琦

近日，中国科学院半导体研究所（以下简称半导体所）“半导体光电子器件及集成技术”入选了中科院“率先行动”计划第一阶段重大成果及标志性进展。

作为国家信息产业的基础技术之一，光电子技术在宽带互联网、高性能计算、智能机器人、先进制造和智慧城市等多个领域起到关键性支撑作用。它也因此成为了衡量一个国家综合实力和国际竞争力的重要标志。

认准了半导体光电子器件及集成技术是构建未来信息社会的核心和基础，半导体所在“十二五”和“十三五”期间，分别将其作为重点培育方向和重大突破方向，坚持面向国家重大需求，突破半导体光电子器件及集成技术的瓶颈，研制出自主可控核心光电子器件，以实现其在光通信、光互连、光传感等领域的典型应用。

在限制中突破

新一代信息技术、机器人、航空航天装备、新能源汽车、新材料、生物医药及高性能医疗器械等，这些中国制造重点领域都离不开一项支撑技术——激光技术。

而半导体激光器是全固态激光、光纤激光、气体激光等的泵浦源，是核心器件，不可或缺、不可替代。但我国在激光芯片方面的发展现状却是低端芯片依赖进口，高端芯片受制于人。

1996年11月开始实施的《瓦森纳协定》明确了对中国禁运的半导体激光芯片的清单，且随着技术的演进，每年清单中的器件类型、器件指标都在不停更新，旨在将中国的半导体激光器应用技术限制在低端水平。

2003年博士后研究工作结束后返回半导体所的郑婉华，只想到了一条出路——突破高性能激光芯片技术，而且必须探索一条自主发展的道路，实现换道超车。

当年她向科技部提出建议，中国应该创新发展光子晶体半导体激光器新原理与新技术，解决半导体激光面临的功率密度低、光束质量差的世界性难题。这一提议不仅获得了“863”项目的支持，后期也得到了国家自然科学基金等新项目的帮助。郑婉华团队在2006年率先在中国实现光子晶体激光的突破，中国也成为了当时实现光子晶体激光激射的少数几个国家之一。

许多半导体人都有着和郑婉华一样的境遇和经历。“限制”反而成了光电子技术突破的磨刀石。

同样艰难迎战的还有光通信芯片团队。国家宽带网络建设的核心芯片，以前主要掌握在美国、日本、韩国、丹麦及英国等国的几家企业手中，中国以进口芯片封装为主。面对国家光网络建设需求，半导体所经过10多年的技术攻关，不仅解决了光分路器及AWG芯片设计及关键工艺问题，还实现了光分路器及AWG的成果转化。如今，光分路器芯片全球市场占有率达50%以上，AWG芯片实现海外市场突破，有力保障了我国宽带网络建设芯片的自主可控，促进了我国硅基光子学器件的产业链完整性建设。

度过漫长的沉默期

光电子技术，特别是芯片技术，一头是研发，一头是制造。要从这一头走到那一头，并且稳稳地落地，常常是孤独又漫长的。

2010年，半导体所光通信芯片团队开启了成果转化之路。10年中，他们需要解决损耗均匀性、芯片良率、工艺稳定性、一致性及可靠性等一系列问题。“这些问题在半导体所基础研究中并非重点关注的问题，而在产业化中却是必须解决的。”半导体所研究员安俊明告诉《中国科学报》，为此，一款芯片需要30多次的设计优化制版、上百次的实验流片验证，才能使芯片性能达到国际同类芯片水平，与国外芯片同台竞争。

他说，团队还非常注重每个细节的芯片开发方式。“比如AWG芯片，结构中分五大部分，还有上千条波导的结合，而涉及的性能参数，每个通道就有十多个，看似千头万绪。一个参数的好坏受多方面的影响，如何准确判断问题所在？团队人员会把芯片的每一部分分别进行研究，不放过任何可能的影响因素，才使问题一步步得到解决。”

为了加快研究进度，团队想尽了各种办法。安俊明说：“我们经常会有一些方案，大家会预测结果，比如我们曾经预测第一次流片的光分路器损耗，有的说会达到10dB以下，有的说刚流片，不会那么乐观，这种打赌的方式也提升了转化速度。”

郑婉华也坦言，实验室的技术成果向市场转化的过程困难重重。

在她看来，半导体激光芯片是一个高资金投入、高密集人才、高度设备依赖的技术，如果上述问题得以克服，仍然面临实验室样品向批量化转移中的诸多工程技术难题。“因为我们先于国外开展这种高端激光芯片的批量制造，因此解决这些难题没有捷径可走，必须投入时间、人力、物力，且需要全体人员不浮躁、沉下心，一个难题一个难题攻克。”

“半导体光电子技术领域的研究工作，目前都是硬骨头工作，存在发表文章难、出成果难的问题。在人才培养方面，由于很难获得各种人才称号，我们只能以身作则，以国家需求为己任，留住人才。”郑婉华说。

壮大转化队伍

半导体所除了以基础前沿为引领来立身，同样重要的是在全面服务国家重大需求和国民经济发展中发挥不可替代的基础支撑作用。急国家和市场之所需一直是该研究所坚持的科研文化。

郑婉华表示，得益于国家、中科院“率先行动”计划和研究所在技术转移方面的优厚政策，最大化地提升了年轻人的收入水平，从而逐渐吸引了一些有理想、有抱负的博士生留下来，投入到这项事业中。

对科研人员而言，要投身转移转化，最难转变的是思维。如果思维转变不过来，再好的政策也无法推动。这就要求部分研究人员带头去从事成果转化工作，从而形成示范效应，让更多人加入这一行列。

目前，以半导体所为技术方的河南仕佳已成为国际上规模最大的光无源芯片生产企业。今年8月，河南仕佳正式在科创板上市，这也为半导体所人走在成果转化的道路上加足了信心。

值得一提的是，在这一过程中，半导体所已经形成了一支从理论分析、设计优化、工艺开发到产业化应用，完整的、训练有素的、敢于啃硬骨头的团队。也因此，半导体所承担了中科院科技成果转移转化重点专项（弘光专项）“硅基二氧化硅阵列波导光栅芯片产业化”，实现了我国数据中心及骨干网核心波分复用芯片的国产化，更加提升了科技成果转化能力。

提到团队培养的经验，安俊明表示，“我们的特色是把研究生的培养放在产业转化一线，使他们掌握的知识更接地气，他们的许多经验、教训来源于生产实践，这在研究所是无法得到的。”如此培养的年轻人，在今后从事科研的过程中，也会更注重我国光电子产业链中的难点问题、设计及开发的实用性和产业转化的可行性，更注重解决国家急需的产业化难题。

来源： 《中国科学报》

LED、太阳能电池等光电子器件都有哪些研究与应用？

文/万物知识局

编辑/万物知识局

随着科技领域的不断创新与发展，LED、太阳能电池等光电子器件的研究和应用也逐渐引起了人们的关注。

那么所谓的光电子器件到底是什么呢？

事实上，光电子器件是一类以光电转换为基础原理， 将光能转换为电能或者将电能转换为光能的电子器件。光电子器件的研究和应用在现代工业、科学等领域中扮演着重要角色。

其中，LED和太阳能电池是光电子器件中的两大代表，它们不仅具有高效、低能耗的特点，而且在环保、绿色能源等方面也有重要作用。

接下来我将从LED的基本原理、结构、优缺点、以及太阳能的基本原理和结构 等多个方面进行讲解光电子器件都有哪些研究和应用。

一、LED的基本原理

LED的发光原理是基于半导体材料的电致发光效应 ，其基本原理可以用能带结构来解释。能带是指半导体材料中电子的能量分布情况。在一个半导体材料中，通常存在一个价带和一个导带。

在常温下，半导体材料中的电子主要在价带中，而几乎没有电子在导带中。

当半导体材料受到外加电压或光照射时，价带中的电子获得足够的能量跃迁到导带中，形成电子空穴对。当这些电子空穴对再次复合时 ，将释放出能量，即产生光子，从而实现电光转换。

二、LED的结构

LED的结构主要由以下几部分组成：P型半导体区、N型半导体区和活性层 。其中，P型半导体区和N型半导体区的区别在于，P型半导体区中含有大量的空穴，而N型半导体区中含有大量的自由电子。

活性层位于P型半导体区和N型半导体区之间，是LED的主要发光区域。在工作时，P型半导体区和N型半导体区 之间施加外加电压，使得P型半导体区和N型半导体区中的电子和空穴得以复合并产生光子。

因此，LED的发光效果取决于材料的选择和层次的设计。

此外，LED还包括透镜、电极等部分，透镜用于调节发光角度和亮度，电极用于连接LED和外部电源。在实际应用中，LED还需要通过散热装置等方式 来保证其稳定工作和延长寿命。

三、LED灯的优缺点

LED作为一种新型绿色光源，具有以下优点：

首先是高效。LED的光电转换效率高，其光电转换效率可达到70%-80% ，比传统白炽灯高10倍以上。

然后是功率方面。LED的功率低，可以将能量直接转化为光能，而不产生热能，因此能够大幅度降低能源消耗。

其次是寿命优势。LED具有长寿命、抗震动、抗振动、抗冲击 等特点，可以适应各种复杂环境。

最后则是环保方面。LED不含汞、铅等有害物质，不会产生紫外线和红外线，对环境没有污染。

然而，凡事都是两面性的。多种优势的LED也存在一些难以忽视的缺点

首先是成本问题。由于LED的制造需要高纯度半导体材料和复杂的制造工艺 ，因此其成本较高。

其次是光谱限制。LED的发光波长有限，不能覆盖整个光谱范围，可能会对特定应用产生限制。

最后是热管理困难。由于LED在工作时会产生热量，需要进行散热处理，否则可能会影响其工作效率和寿命。

四、太阳能电池的基本原理和结构

太阳能电池的基本原理是光生电效应 ，即在半导体材料中吸收光子能量后，会使材料中的电子跃迁到导带中，从而产生电流。具体来说，太阳能电池通常采用p-n结构的半导体材料，其中p型半导体和n型半导体之间形成了一个电势垒。

当光线照射到p-n结处时，光子会激发p-n结中的电子 ，使其跃迁到导带中，从而形成电流。由于p-n结的电势垒的存在，电流只能沿着一个方向流动，从而产生了直流电。

而太阳能电池的基本结构则是由多个p-n结组成，其中p型半导体和n型半导体通过P-N结连接。

在太阳能电池的正面，通常会覆盖一个透明的导电玻璃 ，以便太阳光可以穿过玻璃并照射到电池的表面。

在电池的背面，则会安装一个金属导体，以便电子可以流回到电池的正面，并输出电能。太阳能电池的结构也可以根据不同材料和应用场景 进行不同的设计和改进。

五、光电子器件技术的研究热点

首先是新型材料的研究。光电子器件的性能和应用受材料的影响很大。因此，新型光电材料的研究一直是光电子器件技术研究的热点之一。

目前，石墨烯、二维材料、有机无机杂化材料等新型材料被广泛研究和应用 ，它们在电荷传输、光电转换等方面具有独特的性能，有望成为光电子器件材料的主流。

其次是光伏技术的研究。太阳能光伏技术是光电子器件技术中的重要分支，近年来受到广泛的关注和研究。

其中，以高效、低成本为目标的薄膜太阳能电池技术和有机太阳能电池技术成为研究热点。这些技术在材料、器件结构、制备工艺等方面都有很大的创新空间。

然后是光电子器件集成技术的研究 。这种技术是实现光电子器件功能化和多功能化的关键。

当前，集成光电子器件的研究主要集中在三个方面：首先是在同一晶片上实现多种光电子器件的集成；其次是在不同晶片之间实现光电子器件的互联和集成；最后则是实现光电子器件和微纳机械器件的混合集成。

六、光电子器件技术的发展趋势

增强光电转换效率，它是衡量光电子器件性能的重要指标之一。未来的光电子器件技术研究将以提高光电转换效率为主要目标 ，采用新型材料、新型器件结构和制备工艺等手段来实现。

然后是实现光电子器件的高度集成。随着信息技术的发展，光电子器件的集成度也越来越高。未来，将会出现更多的光电子器件和功能的集成，包括光电子传感器、光电子芯片和光电子系统 等。这将它的应用提供更多的可能性。

其次是实现低成本和高性能。随着光电子器件技术的不断发展，实现低成本和高性能也成为技术发展的重点之一。

未来，随着新型材料的出现和新型器件结构的研究，光电子器件的制备成本将不断降低，同时其性能也将不断提高。

最后则是实现可穿戴和可重复使用 。未来光电子器件将通过对新型材料、器件结构和制备工艺的研究，可以制造出更加轻便、柔性和可穿戴的光电子器件，并且这些器件可以被重复使用。

七、光电子器件在现代社会中的重要性和作用

首先光电子器件在通信领域中扮演着至关重要的角色。以光纤通信为例，光电子器件可以将光信号转换成电信号，使信号能够在光纤中传输。

另外，它还可以将电信号转换成光信号 ，使信号在接收端被转换成原始的信息。除了光纤通信，光电子器件还广泛应用于激光通信、无线光通信等通信领域，极大地提高了通信的传输速度和效率。

然后便是它在能源领域中的重要作用。太阳能电池作为一种典型的光电子器件，就可以将太阳能转换成电能。随着能源问题的日益突出，太阳能电池成为了解决能源问题的重要手段。

此外，光电子器件还被广泛应用于LED灯、荧光屏幕等领域，为人们的日常生活提供了便利。

最后，光电子器件在娱乐领域中也扮演着重要的角色。例如，LED灯可以用于舞台照明和城市夜景装饰，增强了观众的视觉体验。此外，光电子器件还可以被应用于游戏设备、音响设备等娱乐设备中。

八、光电子器件未来的发展前景

首先是效率方面。随着科技的发展，光电子器件的效率也会不断提高。例如，在太阳能电池领域中，新的材料和设计可以提高太阳能电池的转换效率 ，从而使太阳能的利用更加高效。

然后是体积方面。未来的光电子器件将会越来越小，从而可以被应用于更广泛的领域。

例如，随着微电子技术的发展，人们可以制造出更小、更快、更强大的光电子器件，这些器件可以被应用于传感器等领域。

最后是应用方面。未来光电子器件的应用范围将会不断扩大，在更多的领域都能得到有效利用。例如，在智能家居领域中，光电子器件可以被应用于智能灯具、智能门锁等设备中。

九、未来光电子器件面临的挑战

在未来光电子器件所面临的问题中，首当其冲的还是我们熟知的成本问题。目前光电子器件的成本较高，这限制了其在大规模应用中 的发展。

未来需要解决成本问题，使光电子器件的价格更加合理，才能让其在更广泛的领域中得到应用。

然后就是其在发展中所面临的技术限制。例如，在太阳能电池领域中，目前的太阳能电池效率已经接近极限，需要开发新的材料和技术来提高太阳能电池的效率。

其次是环境问题。光电子器件的制造过程需要大量的能源和材料 ，而这些能源和材料的生产和处理会对环境造成一定的影响。未来需要探索更环保的光电子器件制造方法，以减少对环境的影响。

最后也是最主要的便是安全方面的问题。随着光电子器件的普及，它的安全问题也越来越受到关注。例如，智能家居设备中的光电子器件可能会被黑客攻击，从而造成安全问题。未来需要加强光电子器件的安全性能，以保护用户的隐私和安全。

所以光电子器件是一类重要的电子器件，其中LED和太阳能电池是最为常见的光电子器件之一。为了推动光电子器件的健康发展，需要加强技术研发，提高生产效率，探索更环保的制造方法，加强安全保障等方面的工作。

[1]信息技术中的光电子器件[J]. .中国计量学院学报,2001(02)

[2]光电子器件国家工程研究中心[J]. .红外,1997(01)

[3]光电子器件的封装技术[J]. 郭树田.电子与封装,2002(04)

[4]半导体光电子器件及其应用[J]. 王晓雄.大众标准化,2020(13)

[5]光电子器件 中国科学家谈科学[J]. 曹则贤.科学观察,2008(02)

[6] LED商用荧光粉的发光特性研究与应用分析[J]. 王忆;王梦霞;俞子喆;罡一帆;周勤勤;王欣月.信阳师范学院学报(自然科学版)

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