光电器件

北京大学信息科学技术学院博士研究生杨雷静与王胜副研究员作为共同第一作者所撰写的论文Efficient photovoltage multiplication in carbon nanotubes，于2011年11月1日在《自然》子刊《自然?光子学》(Nature Photonics, 2011, 5, PP.672-676)上发表。该论文报道了碳纳米管光电器件研究的重要突破，也是电子学系彭练矛教授研究组在碳纳米管器件研究领域所取得的最新进展。 　　在地球资源日益匮乏的今天，太阳能作为重要的替代能源具有很多不可超越的优势。基于纳米尺度新材料的太阳能光伏器件研究是当前国际太阳能光伏领域研究的热点。碳纳米管是直接带隙材料，一直被认为可能在构建下一代太阳能电池中发挥重要影响。并且，半导体的单壁碳管具有独特的能带结构，以及很好的紫外到近红外的宽谱光吸收特性，可以充分地吸收利用太阳光。先前的研究已证明，碳管材料构建的光伏器件具有光生载流子倍增效应，利用这种效应构建的太阳能电池可能超越理论上预计的单个太阳能电池效率极限。但是大多数典型半导体碳管器件的光电压一般小于0.2V，对于实际应用而言小得难以满足需要。如何非常高效地级联碳管太阳能电池以获得高的光电压输出，就成为碳管光伏器件领域富有挑战性的工作之一。 　　碳管级联太阳能电池模块示意图 　　彭练矛研究组提出采用虚电极对接触方法，无需传统的掺杂工艺即可有效地使器件的光电压产生倍增，具体说来，在一根10μm长的碳管上级联5个电池单元，就可以获得大于1V的光电压。这项工作是在彭练矛研究组一系列前期研究的基础上实现的。2008年，研究组提出采用非对称接触电极的方法实现无需掺杂制备碳纳米管二极管，研究结果发表在《先进材料》(Advanced Materials, 2008, 20, 3258)上。 在此基础上，采用近乎同样但经过改进的工艺，又于今年实现了第一个真正意义上的碳管红外发光二极管(LED)，其研究论文发表在《纳米快讯》(Nano Letters, 2011, 11, 23)上。 　　这项研究得到了国家重大科学研究计划和国家自然科学基金委员会的资助。

在科研的路途中，固然山高水深，寒暑风雨，但只要初心如磐，奋楫笃行，终能让梦想照进现实。中国科学院半导体所研究员，博士生导师，中国科学院大学材料科学与光电技术学院量子光电子学首席教授牛智川，就是在这样的风雨兼程中，实现了半导体材料的突破。锑化物材料的突破半导体是一种材料，是现代科技不可或缺的技术。半导体技术发展一代材料体系、形成一代器件技术。本世纪初，锑化物半导体材料，即GaSb基晶格匹配异质结、量子阱、超晶格体系获得业界高度重视，其破隙型窄带隙能带构型和材料组分适于能带工程设计调控和先进的III－V族半导体工艺，为突破传统红外半导体长期瓶颈提供全新路径。近年来GaSb单晶、衬底与外延材料技术的突破，极大地促进了中波红外激光器、中长波红外探测器的技术跨越，其应用价值得到确认，2009年起西方实施锑化物半导体出口管控。“只有将科技掌握在自己的手中，才能真正的安心，放心。”近些年来，中国的科研工作者经历了太多这样的波折，所以，面对封锁，牛智川教授没有抱怨，更没有放弃，他知道，这是中国制造必然要走的一步。锑化物材料属于多元素化合物体系，相比于其他材料，锑化物量子阱超晶格等低维材料的能带结构最为复杂，器件台面、腔面表面氧化性质悬殊，实现高光电效率激光发光和探测器的能带设计优化、外延材料质量调控、器件高稳定性的工艺结构优化方法、高可靠性大功率输出热场等综合表征与优化等，都是该器件技术的核心科学难题。作为长期从事半导体低维材料物理与量子光电子器件技术研究的探索者，牛智川教授率先在我国开拓锑化物半导体外延材料与红外光电器件技术方向。他带领团队针对锑化物多元复杂材料能带设计及外延生长技术的挑战难题，聚焦中波红外量子阱激光器波长拓展效率提升、长波红外超晶格探测器暗电流抑制效率优化等关键科学问题和应用发展需求，历经20年攻关，成绩斐然。他，不仅发明GaSb基二元AlSb／AlAs／AlSb／GaSb超晶格数字合金，克服锑化物四元、五元合金组分精确控制和组分互溶，提升光学质量和发光效率；发明As／Sb、Ga／In双交叉外延技术，提升超晶格质量和载流子寿命；创新外延技术，解决应力平衡、缺陷界面调控、表面颗粒抑制难题；锑化物量子阱材料用于2－4微米中波红外激光器，激光单管／巴条／模组的室温连续功率分别达到2.6瓦／18.4瓦／172瓦的国际最高记录（超越禁运指标），超晶格材料用于中长波红外探测器，实现了单色、双色焦平面探测器，国际首次报道＞14微米甚长波焦平面成像芯片。这些成果标志着中国的单晶、衬底与外延材料及器件技术成功突破封锁，2023年7月，我国发布锑化物材料管制法规，自此，国内的锑化物半导体技术实现了跨越式的升级。乘风破浪的探索从零开始，一路披荆斩棘，屡获突破，到现在，整个锑化物半导体红外光电产业链逐渐完善和发展，牛智川教授依靠的就是开拓创新，砥砺前行。众所周知，科研是永无止境的，半导体领域的探索更是如此，InAs／GaAs量子点量子光源、InGaAsSb量子阱大功率与单模激光器的问世，就是牛智川教授持续深耕探索的见证。InAs／GaAs基量子点量子光源。面向量子光源核心器件基础研究前沿和量子信息系统重要需求，围绕半导体量子点生长密度和均匀性控制技术挑战，研究发展亚单层InAs循环、束流梯度分布外延新技术，揭示液滴法生长量子环机理，突破量子点相干发光效率、单光子发光速率和全同性瓶颈，实现三项全优性能单光子源，实现量子点单光子量子态存储（Nat. Comm.），发展量子点拓扑角态激光（Light），为构建全固态量子网络提供半导体量子光源器件解决方案。InGaAs（Sb）量子阱激光器。面向中短波红外激光重大需求，围绕量子阱应变临界束缚、拓展波长、提升功效难度难题，发明锑化物数字合金势垒结构，研制成功1.9－3.6微米高功率和单模激光器，其中2.0微米激光器的室温连续功率国际领先突破卡脖子（禁运）条例，发光效率和单模性能超越国际同行。花会沿路盛开，牛智川教授的科研之路也会如此。一个有坚定信念的探索者，总是能够从容的面对荆棘，能以智慧扛起身负的责任和使命。作为中国的半导体人，牛智川教授始终对中国的半导体充满了期待，他认为，中国的半导体处于黄金发展时期，但任何产业的发展都不会一蹴而就，半导体的探索是一场接力赛，“只要有更多的人投入到半导体领域，中国的半导体技术，才会不断突破，产业才会实现可持续发展。”他这样说，也在这样做。作为博士生导师，牛智川教授十分关注学生的成长，毕竟，知识需要传承，科技需要接力，所以，他对学生的学业和科研要求严格，同时，对于学生遇到的问题，也给予指导和引导。目前，他已培养百余位硕士博士学位高级科技人才，这些人才走向了各自的工作岗位，继续助力中国半导体事业的发展。而牛智川教授本人，则继续以国家需求为目标，通过承担国家重点任务立足锑化物半导体领域，在基础研究成果之上，联合国内产学研用各方面力量，发起成立锑化物半导体技术创新与产业发展联盟，通过联盟方式针对各方需求，为国内各装备行业及高科技企业开发多功能高性能光电芯片，推动长期受限于国外技术封锁的红外高端光电芯片的自主可控全链条技术进步，实现从部分性能的超越领跑和满足各类需求的全链条解决方案。当前，半导体技术的代际更替已经进入了微电子与光电子技术的并重发展时代，锑化物窄带隙半导体呈现出第四代半导体光电芯片技术发展的重大潜力。未来，牛智川教授将以锑化物半导体光电材料与芯片为中心，面向智能化信息技术新时代广泛需求，建设完整的技术创新与产业制造链条，并以这样的方式，提升中国半导体的整体竞争和研发能力。在这个喧嚣的时代里，牛智川教授始终踏踏实实，创新探索。不被繁华迷惑，不被名利捆绑，心里，眼里，始终是中国的半导体，或许，正是这份坚定，这份执着，让他在这个领域硕果累累。这就是牛智川，这就是中国的半导体人。个人简介牛智川，中国科学院半导体所二级研究员，博导，中国科学院大学材料科学与光电技术学院量子光电子学首席教授。入选中科院“BR计划”，“国家杰出青年科学基金”、“新世纪百千万人才工程国家级人选（首批）”、“国务院政府特殊津贴”等。先后主持了国家863计划，国家973重大科学研究计划，国家重点基础研发计划等项目，在国际顶尖学术期刊发表了400多篇论文，曾获得北京市自然科学二等奖，中国电子学会自然科学一等奖，湖北省科技进步一等奖等。近年来积极推动引领新型锑化物半导体材料与红外光电器件成果转化，推动了相关制造与装备技术进步。

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