【基金标书】2010CB327600-超高频、大功率化合物半导体器件与集成技术基础研究

11 1 项目名称： 新型光电子器件中的异质兼容集成与功能微结构体系基础研究 首席科学家： 任晓敏 北京邮电大学 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部门： 教育部 22 2 一、研究内容 拟解决的关键科学问题包括： 1. 异质兼容光电子集成中晶格 自组织纳结构生长的条件及机理。 异质兼容以及相关的工艺兼容问题是实现光电子集成所需解决的最基本的问题之一。对于半导体光电子集成而言，异质兼容就是要寻找异质兼容光电子集成中晶格 括（ 1）晶格显著失配的不同材料 系（如 、 、 及 等）之间的高质量异变外延、在异变外延缓冲层中引入纳异质结构以及在自组织纳异质结构生长中引入异变缓冲层的作用和机理；（ 2）与特定衬底严格晶格匹配的满足特定应用需求（如光通信、光信息获取等）的晶格 于特殊超晶格结构的能谱范围拓展方法。此外，同一波导层内不同部位之间的异带隙兼容问题，也常常被归结为结构兼容问题，故不在此描述。这些问题涉及到物质的微观结构与特性以及材料生长的动力学规律等。目前光电子集成器件的波段大都集中在近红外波段 ，但是今后因应相关应用的需求，也许有必要将其波段拓展到中远红外波段。譬如，随着光电子器件的发展，自由空间光通信有可能向更低损耗的中远红外大气窗口拓展；同时，中远红外波段也是信息获取及反获取的重要波段。因此，我们有必要考虑这些新的波段中的异质兼容光电子集成问题。 2. 光电子集成器件中重要基元功能微结构的实现途径、形成机理与体系构建。 结构兼容以及相关的工艺兼容问题也是实现光电子集成所需解决的最基本的问题之一。对于半导体光电子集成而言，结构兼容就是要寻找可使光电子集成化繁为简的、适于大规模多功能集成的“七巧板 ”式的基元功能微结构体系。这些微结构应该在数量上是“最小化”的、而在工艺上又是相互兼容的。回顾微电子集成的发展历程，正是基于扩散工艺的平面结型晶体管的发明和与之兼容的平面电阻、电容等结构的发明使之从梦想变为现实。最终解决半导体光电子集成的结构兼容问题必须发展类似微环结构、越层波导结构、 “同材料系异带隙”级联波导结构 等新型关键功能微结构及其兼容制备工艺；同时，这样的集成基元功能微结构体系的构建还将在很大程度上依赖于器件物理方面的新发现和新进展。譬如，基于自组织纳异质结构的新型半导体光电子及电子器件有可能导致纳 米尺度的半导体光电子集成。这一问题是自然界对人类智慧的又一次重大考验。 3. 纤基光电子集成与微结构光纤器件的概念、结构、工艺创新。 纤基光电子集成也需要同时解决异质兼容和集成基元功能微结构方面的基本的问题。我们需要探索微结构光纤与半导体材料及其它相关功能材料（包括量子线、量子点及各种纳米颗粒）的有机结合问题，包括微结构光纤中特定功能材料的引入、填充、组装与生长；我们还需要寻找一系列横向并行或纵向串行的光电子学及电子学功能结构，使其构成一个彼此间工艺兼容的完备集合，以在同一根微结构光纤中构造出各种各样的功能 分工、相互连接的光电子器件来。微结构光纤器件的概念、结构和工艺还需要不断创新，微结构光纤中光与物质相互作用的新机理、光子行为调控的新方法以及相关的器件物理机制均有可能引发纤基光电子集成的某些突破，其应用波段也在拓展。这些都会给我们带来新的机遇和挑战。 33 3 4. 微结构光纤制备中的动力学机制与精确控制方法。 微结构光纤的精确制备问题已经提上议事日程。尽管人们可以制备出各种各样不同结构的微结构光纤，但使这些光纤的实际结构与预先设计的结构高度吻合相当困难。国际上还没有任何一个研究组或企业完全解决了这个问题。我们所要分 析和处理的是由多根石英毛细管集成的“复合材料体”在高温熔融状态下的动态形变行为，涉及到材料粘度受力等多因素介入的复杂流体动力学问题，特别涉及到石英毛细管内部以及毛细管之间的热辐射与热传导作用对空气微孔变形的影响问题。这一问题的解决是微结构光纤、微结构光纤器件乃至纤基光电子集成的进一步发展的基本保证。 主要研究内容包括： 围绕第 1 个科学问题，拟开展如下工作： 在半导体材料的高质量异变外延和纳异质结构制备方面，我们将在已申请国家发明专利的一项技术 以及其它相关工艺 的基础上， 在 底上分别生长 延层材料，研究进一步提高异变外延层质量、降低位错密度的方法，进而作为对材料质量的验证，研制 料系 导体激光器和 子点激光器。同时，我们将 面向上述异变外延的工艺需求和微结构光纤器件内部的纳米线组装，进一步 研究 半导体纳米线的制备工艺；我们将 面向未来纳米光电子器件的制备，研究 在不同的生长条件下量子线和量子点自组织生长行为的特点与规律。我们将进一步研究 质量异变外延技术，并研制具有渐变缓冲层结构的 量子点异质结 构； 研究质量异变外延技术，并完成相关器件验证。 在新型半导体材料系方面， 我们将面向光纤通信应用，在上一期 973项目相应工作的基础上，进一步从理论上预测可与 格匹配、发光波长位于光通信长波长波段（ 为直接带隙的新型四元系集成光电子材料；我们将针对 B（硼）化物材料系及其它有可能涉及的新型材料系开展研究工作，通过建立更为完善的半导体材料晶格 高理论预测的准确性；从实验上研究 i、 i 等含 B 化合物自身及相关三元系材料的合成问题及其带隙特性调控问题，并开展相关的器件验证工作；同时，我们将面向自由空间光通信、 瓦斯监测 及 天基 红外信息获取等方面的应用， 研制高质量的 诸如 I 类超晶格等 可供选用的 或 （基于异变外延技术）新型 物材料系 。我们还将基于这些材料系研制 25m 红外激光器、 双色（ 23m 及 35m）红外探测器和 14m 以上波段的红外探测器。 围绕第 2 个科学问题，拟开展如下工作： 在光电子集成基元 功能微结构方面，拟重点研究的半导体光电子集成基元功能微结构包括半导体环形微结构、 “ 同材料系异带隙 ” 级联波导结构、越层波导耦合微结构等。上一期 973 项目已经成功地实现了 半导体微环激光器的激射，但半导体环形微结构光电子器件自身性能的提升及其潜在集成优势的发挥，还有待我们对其器件物理、结构设计和制备工艺进行深入的研究； “ 同材料系异带隙 ” 级联波导结构的研究则主要集中在其实现工艺上，我们将对分次外延对接44 4 （ 量子阱混杂（ 选择区域生长（ 工艺进行深入的比较研究，以做出进一步的工艺创新；越层波导耦合微结构的基础是我们熟悉的楔形 功能微结构，因此我们的研究重点是实现其高效率耦合的问题。此外，我们还要构思普遍适用于大规模、多功能集成的基元功能 微结构 体系，并在工艺上进行大量的尝试。 在 光子集成（ 芯片 方面，我们将致力于研制基于半导体微环结构的多波长收发光子集成芯片和可寻址半导体微环全光信号随机存储器；研制以可调谐半导体激光器为光 源 的 单片光子集成（ 分复 用光发射机；研制满足更高要求的高功率、低偏振、高可靠性超辐射单片集成 源。在光电集成（ 芯片 方面，我们将进一步研究 长波长 10Gb/s 单片集成 围绕第 3 个科学问题，拟开展如下工作： 在微结构光纤中的超快光子学效应与光子行为调控方面，深入研究“飞秒激光振荡器、放大器、飞秒激光的传输和频率变换”功能集成的高功率、高重复频率、多波段微结构光纤飞秒激光系统；研制高效率、高功率的 V 波段频率变换器和高功率紫外波段飞秒激光器；探索并论证微结构光纤中三阶非线性光学大 波长跨度参量荧光的产生及其用作高效率、低噪声关联 /偏振纠缠光子对源的可行性；探索微结构光纤中光与物质相互作用的新机理、光子行为调控的新方法。 在纤基光电子集成的基本途径与方法方面，以实现“异质兼容”微结构光纤为 目标，探索新型 半导体聚合物基 纤的基本理论和制备工艺，论证 其用作中红外波段传输传感及实现复合光电调控功能的可行性；研究 集成 式多芯 高非线性 微结构光纤 ，使 其超连续谱 覆盖 从紫外到中红外的波段 ；研究 铒 、铥 、 镱 等共掺的集成式多 纤芯 微结构光纤的技术方法，以获得 不同波长激光的 同时 输出 ；研究微结构光 纤中半导体材料及其它相关功能材料（包括量子线、量子点及各种纳米颗粒等）的组装、掺杂、填充、沉积等关键工艺和相应的改性、增敏机理，研制基于此技术的新型光纤激光光源，其激射波段为目前传统光纤激光技术难于实现的可见光或近，中红外波段。研究纤内组装功能材料的微结构光纤中光子和电子的运动学及其量子动力学行为及调控机理；研究功能微结构光纤（包括光子带隙光纤、多芯微结构光纤和微结构多维光纤光栅等）的新特性。 围绕第 4 个科学问题，拟开展如下工作： 在微结构光纤的先进设计与精确制备方法方面，我们将基于代工厂（ 微结构功能光纤优化设计；建立和完善具有自主知识产权的微结构光纤设计和分析软件；研究微结构光纤制备中的动力学机制；通过自主创新，发展和完善微结构光纤设计技术、拉制工艺和产业化关键技术，形成一整套稳定的微结构光纤制造工艺技术；通过将微结构光纤设计方法的研究与实际拉制工艺的研究紧密结合，实现适合于国内企业现有设备条件的微结构光纤结构功能优化与精确制备方法； 探索 成熟的 低成本、高成品率的 微结构 光纤 制备 工艺，为国内微结构 光纤及器件的最终商用化奠定坚实基础 ；通过将微结构光纤工艺制造的研究与在实际推广应用的研究紧 密结合，推进微结构光纤结构功能的标准化， 带动相关产业链条的横向联系与纵深发展，从而形成新的高新技术生长点 。 55 5 二、预期目标 本项目的总体目标： 本项目的总体目标为：在既定关键科学问题的解决上取得突破性的理论和实验进展，深化“半导体光电子学”与“光纤光子学”之间的交叉融合；通过材料、结构、工艺和器件的创新，形成具有自主知识产权的多功能、多波段、大规模半导体光电子集成核心技术，创建纤基光电子集成的基本工艺体系，进一步掌握微结构光纤的先进设计方法和精确制备技术，研制成功一批具有国际先进水平的半导体及纤基光电子集成 典型芯片与器件；使我国在光电子集成器件与系统的国际竞争中赢得较大的战略优势，为我国信息基础设施和电子信息产业水平的全面升级开辟道路，推动经济、社会发展，提升国家安全保障能力，并带动相关领域科学技术的进步。 五年预期目标： 在半导体材料外延和纳异质结构制备新工艺方面， 为 异质兼容光电子集成奠定基础 。突破高质量异变外延技术，采用自主创新的一种基于界面纳米结构的异变外延新方法以及其它相关工艺，在 底上分别生长出器件级的 延层材料，使其位错密度降低到 105 级，实现 料系 导体激光器室温连续激射，并 在器件质量上赶超国际最好水平；采用此种 i 异变外延技术 ，在 底上 研制成功 温连续运转的 子点激光器 。同时，在 半导体纳米线 的制备上取得重要进展，并将之应用于上述异变外延、纳米光电子器件和微结构光纤器件内部的纳米线组装； 提高 变外延水平，并将此技术应用于具有渐变缓冲层结构的 量子点异质结构的制备； 实现 质量异变外延生长，并完成相关器件验证。 在 新 型半导体材料系方面，为 或 异质兼容光电子集成奠定基础。 建立更为完善的半导体材料晶格 化对其生长机理的认识。面向光纤通信应用，针对与 底和 底晶格匹配的、带隙对应于 新型四元系 化合物材料取得新的有价值的理论预测和实验制备结果（上一期 973 项目实现的最佳波长数据为 从实验上给出 i i 等含 B 化合物自身及相关三元系材料基本性能的科学实验数据，取得各自带隙特性调控的最佳结果，提供出至少 2 种可高质量外延生长的晶格 向自由空间光通信、 瓦斯监测 及 天基 红外信息获取等方面的应用， 研制出高质量的 诸如 I 类超晶格等 可供选用的 或 基于异变外延技术 ）新型 物材料系 ，并基于这些材料系研制出 25m 红外激光器、 双色（ 23m 及 35m）红外探测器和 14m 以上波 段的红外探测器。 在光电子集成基元功能微结构方面做出若干发明， 掌握功能各异的集成基元功能微结构的设计与制备方法， 综合解决单片光电子集成的材料 兼容 、结构 兼容 和工艺 兼容 问题，在集成器件与芯片研制方面取得重要进展。在 光子集成（ 芯片 方面，研制出基于半导体微环结构的 1550波长收发光子集成66 6 芯片和可寻址半导体微环全光信号随机存储器；研制出以可调谐半导体激光器为光 源 的 1550片光子集成（ 4 路、系统应用速率为 10Gb/s 的波分复用光发射机；研制出具有更高性能的 1310 1550段 高功率（出纤功率 低偏振（偏振消光比 辐射单片集成 源；在光电集成（ 芯片 方面，突破 长波长 10Gb/s 单片集成 接收机的关键技术，提供该接收机样品。使我国在光电子集成芯片技术的若干重要方向上走在世界前列，满足国家信息基础设施发展及其它国家重大工程应用的相关需求。 在微结构光纤中的超快光子学效应方面，实现基于微结构光纤的百飞秒量级、近百瓦功率、高重复频率飞秒激光系统的稳定运转；在此基础上，实现基于微结构光纤 的 V 波段、瓦功率量级的飞秒激光频率 变换，并研制出高效率、瓦量级功率的紫外波段亚飞秒量级激光器，为信息获取及反获取系统、激光精密微加工等重大需求提供技术支撑。在基于微结构光纤的量子通信纠缠光子源方面，完成微结构光纤中三阶非线性光学大波长跨度（ 800/1550量荧光产生的理论和实验论证，并制备出 相应的 高效率、低噪声、大波长跨度关联 /偏振纠缠光子对源，为在光纤通信波段（ 1550子信息光源的实用化发展 作 出贡献。 在纤基光电子集成方面，制备出若干典型的 横向并联和纵向串联型光电子集成器件，包括：基于集成式多芯微结构光纤的超宽光谱 （ 200500光光源和激射波长可在 1030300围内调谐的多波长激光器；力争在微结构光纤中沉积半导体材料技术及相关集成器件的制备方面取得突破。掌握在微结构光纤中引入不同半导体材料（量子点、量子线）或其它功能材料的组装技术，从而解决纤基光电子集成的材料兼容问题。揭示组装后微结构光纤中的光子、电子的量子动力学行为及其调控机理。研制出基于半导体及纳米发光材料组装微结构光纤的新型光纤激光光源，激射波段为目前传统光纤激光技术难于实现的可见光或近、中红外波段；研制出基于光电材料填充的快速、 宽带可调谐新型微结构光纤及光栅单通道、双通道和多通道光滤波器，调谐速度 微秒量级、边模抑制比 20 备出半导体 纤样品，并完成中红外波 段（ 35m、 心 光纤传输传感特性与复合光电功能的理论和实验论证，从而开拓“异质兼容”微结构光纤技术新领域。 在微结构光纤的先进设计与精确制备方法方面取得重要进展，为实现纤基光电子集成和微结构光纤器件的长足发展奠定基础。形成具有自有知识产权的微结构光纤制备工艺体系和规范化流程， 实现微结构光纤的结构功能优化与精确制备，促 进我国微结构光纤规模化生产基地的快速形成。制备出若干种具有重要应用价值的微结构光纤，包括： 微结构光纤，指标达到：在 曲半径 5，弯曲损耗 ，与常规单模光纤熔接损耗 态疲劳参数 20；研制出较低损耗的 1550子带隙光纤 ； 制备出用于 超宽带光混频器的高非线性微结构光纤， 实现 段的光信号转换到可见光波段，并将 155Mb/s 号转换到可见光波段；制备出强光学非线性、大负色散微结构光纤，实现基于该光纤的新型集成式拉曼光放大与色散补偿 器件，指标达到：泵浦光功率 500宽 30饱和增益为 10益平坦度为 散补偿量为 400ps/ 本项 目组将在国内外核心刊物上发表论文 400 篇以上，其中 录论文 150 篇以上；获得或申请国家发明专利 40 项以上；培养博士后 10 名，博士50 名，硕士 100 名。本项目组将进一步促进所在国家实验室、国家重点实验室、77 7 教育部重点实验室等科研基地的建设，营造更好的基础研究氛围；同时，充分发挥北京邮电大学“通信与网络核心技术”学科创新引智基地与天津大学“微米 /纳米科学与技术”学 科创新引智基地等方面的作用，进一步深化与国外顶尖科研机构及科研团队的实质性合作；从而使项目组自身发展成为一支更有活力、更高水平的研究团队。 88 8 三、研究方案 研究方案和技术路线： 1）学术思路： 本项目的主要研究内容既包含半导体光电子集成，又包含基于光纤的光电子集成（即“纤基光电子集成”）。异质兼容和功能微结构两个方面的共性科学问题贯穿于这两类光电子集成的研究工作之中，半导体光电子学和光纤光子学两个学科分支在本项目中交融汇流。因此本项目实际上成为一个学科交叉的平台，这种交叉非常有利于产生原创性的成果。 我们将 依据纤基光电子集成和相关微结构光纤器件研究工作的需要，开展相应的半导体纳米结构的制备；我们也将把在半导体衬底上制备半导体材料和器件的相关工艺经过必要的改造移植到纤内半导体结构和器件的制备之中；我们还会借助于微结构光纤与半导体材料的结合来丰富和深化我们对于半导体材料的认识，因为半导体材料在微结构光纤所构建的特殊实验空间和条件之下所表现出来的各种新的物质属性有可能成为新型半导体器件的物理基础。总之，根据这两类研究工作各自的特点和彼此之间内在的联系，将二者紧密地结合起来，是我们的开展本项目研究工作的基本思路。 就 半导体光电子集成方面的研究工作而言，异质兼容和集成基元功能微结构相辅相成，缺一不可。有关异质兼容方面的研究工作思路已经相当具体明确，我们将通过异变外延和新型材料系（包括特殊超晶格结构）等多个途径的探索来实现我们所期待的突破；而在集成基元功能微结构方面，问题还相当开放。半导体器件与微电子器件相比，结构复杂度大大增加，不同的光电子器件之间、特别是光电子器件和微电子器件之间在材料、结构和工艺方面的兼容性存在很大的问题，这正是光子集成（ 经多年徘徊不前（近期已有显著进展并备受关注）、而光电集成（ 特别是包含半导体激光器等单元的集成的推进至今仍未见有大的突破的原因。完全从现有半导体器件的结构出发构思“七巧板”式的集成基元功能微结构体系的思路值得商榷，因此我们将特别注重从半导体器件物理的层面来思考这一问题，也许适合光电集成（ 集成基元功能微结构体系的出现有待于光电子器件结构的某种变革。同时，我们提出了研制科学实验用键合型高质量 i 双基复合衬底的设想，这将使我们有可能在基于异变外延工艺的 i 双基复合衬底尚不成熟的情况下，超前进行 i 双基复合衬底上光电子集成结构、工艺兼容性 的研究，从而在国际同行中取得先行优势。我们希望这样的学术思路有助于我们实现本项目中有关半导体光电子集成的预期目标。 就纤基光电子集成方面的研究工作而言，异质兼容和集成基元功能微结构同样是两个最基本的问题，只是其特点有所不同。从根本上讲，在微结构光纤中实现异质兼容将大大拓展光纤器件、特别是有源光纤器件性能设计的自由度和实际应用的领域，因此我们把这一特点作为我们开展相关工作的主要牵动力；另一方面，纤基光电子集成可以沿着横向集成和纵向集成两个方向推进，因此同时在这两个方向上探索相应的集成基元功能微结构也就成为本项 目的题中应有之义。同时，微结构光纤本身的结构问题也需要我们去做更为深入的研究。譬如，微结构光纤所表现出的强烈的非线性效应是微结构光纤最重要的特点之一，而这种效应是和光与物质的超快作用紧密地联系在一起的，因此我们把其中的超快光子学效应及相应的光子行为调控技术作为深入研究的重点。这一研究将有可能导致高效99 9 便捷的新型光子纠缠源的诞生，从而有力地促进量子光通信和量子信息技术的发展。纤基光电子集成和相关微结构光纤器件的研究工作尚有很大的创新空间，同时又具有很强的挑战性，我们期待着在这一研究工作中取得较为重大的进展。 最后，无论是半导体光电子集成方面的研究工作，还是纤基光电子集成方面的研究工作，都必须非常重视相应的制备工艺问题。工艺往往是制约科学技术发展的瓶颈。在本项目的总体安排中也充分体现了这一思路。 科学技术的发展既有必然性，也有偶然性，某些情况的出现或变化往往是人们难以事先预料的。因此，我们还将在今后的研究工作中不断补充和更新我们的学术思路。 2）技术途径： 围绕第 1 个科学问题，拟按照如下技术途径开展工作： 在半导体材料的高质量异变外延和纳异质结构制备方面，主体研究工作可分为两部分，兹分述如下： A. 半导体 材料的高质量异变外延：我们将采用分子束外延 （ 和金属有机物气相外延 （ 方法 进行材料的外延生长。 我们发现，在提高异变外延层的晶体质量各种方法中，横向外延技术和新型缓冲层技术的具有巨大潜力。与此同时，由于半导体纳米线的纤细结构，极大地降低了外延生长所要求的晶格匹配条件，纳米线结构在解决光电子集成中材料兼容的问题上有着独特优势。因此结合纳米线结构和横向外延技术，将为解决光电集成中的材料兼容问题提供一种新思路。我们的创新性技术路线是一种基于界面纳米结构的半导体材料异变外延新方法。该方法已申请国家发明 专利（申请号： 其要点是通过在衬底上形成特定的无位错纳米结构阵列，然后采用适当材料覆盖，形成一个特殊的生长平面，最后利用纳米线作为窗口，进行横向外延生长，利用材料本身的选择性协同生长机制在此平面上生长出高质量的所需外延层。此方法有可能带来高质量异变外延技术的突破。与目前的横向外延工艺相比，由于纳米线结构能够克服外延材料与衬底晶格失配的问题，利用纳米线作为横向外延生长的窗口，将能大大提高横向外延层的晶体质量，为解决光电子集成中的材料兼容问题提供一条新途径。该方案还克服了现有横向外 延技术的一些其它缺点，如横向外延需要光刻工艺制备窗口，这会引入杂质污染并对后续外延生长造成影响。此外，就 i 异变外延 而言，我们也将采用其它可能的技术路线，如采用（ 100）面 36 度偏向 方向，（ 100）面 36 度偏向 方向甚至一些高指数面如（ 211）面或（ 511）面作为外延生长面。根据经验，该类有微小偏角或特殊高指数面可以有效的解决反相畴缺陷（该类缺陷是非极性材料上外延极性材料必须克服的技术问题）。在生长过程中，将采用退火和迁移率增强外延（ 及分步外延等方法，消除反 相 畴缺陷 。我们也将在缓冲层的设计和制备上进行创新，这是高质量异变外延的关键之一，也是国外公司专利垄断的核心点。我们将根据以往在 物生长中的经验，在 底上 组织外延技术基础上，研发新的 度式缓冲层结构。另外，将深入研究 i 缓冲层优化设计，结合我们的 术特点，制备高质量 延膜。一般而言，我们还会在适当的情况下结合热循环和快速退火法、应变超晶格缓冲层、侧向和图形生长法、应变补偿法、表面活性法等方法进行异变外延。 B. 纳异质结构制备：我们将深入开展纳异质结构自组织生 长的可控性研究，致力于发现在不同的生长条件下量子线和量子点自组织生长行为的特点与规律。1010 10 譬如，我们发现了不同直径的 米线在特定条件下可以实现等高生长，在这一过程中吸附原子扩散的生长机制被有效地抑制；我们还发现 米线在细至 24仍可以实现无相变生长，即在生长过程中保持纯闪锌矿结构。继续进行这方面的研究工作有可能导致纳光电子集成或高维超晶格结构制备的重要进展。在器件制备方面，我们将把上面刚刚提到的 基于界面纳米结构的半导体材料异变外延新方法 应用于纳米线器件的制备。目前纳米线器件的制备工艺需要将其 折断并平放在衬底上（通常是杂乱堆放），需要用电子束光刻工艺寻找合适的纳米线进行光刻加工；这种针对单根纳米线的加工工艺无法实现器件批量制备，阻碍了纳米线的实用化。我们提出的外延生长方案，将纤细的纳米线结构掩埋“固定”在层状基质结构之中，从而与现有半导体工艺兼容，降低了纳米线器件的制备难度。我们也将充分利用我们在 长波长量子点激光器研究方面的前期经验，创新设计适于 的 量子点激光器新结构。我们还将利用上述 延技术，探索制备 高效太阳能电池器件原型，实现 i 衬底廉价两方面的优点的有机结合。 在新型半导体材料系方面，主体研究工作可分为面向光纤通信应用和面向自由空间光通信、瓦斯监测及天基红外信息获取等应用两部分，兹分述如下： A面向光纤通信应用：我们将继续依据第一性原理，运用 件包，进一步从理论上预测可与 格匹配、发光波长位于光通信长波长波段（ 为直接带隙的新型四元系集成光电子材料；我们将针对 B（硼）化物材料系及其它有可能涉及的新型材料系开展研究工作，通过建立更为完善 的半导体材料晶格 高理论预测的准确性；同时从实验上研究我们已经做出预测的 i、 i 等含 B 化合物自身及相关三元系材料的合成问题及其带隙特性调控问题，并开展相关的器件验证工作。总体看来，闪锌矿单晶结构的 硼化物生长存在以下主要问题：其一，目前已合成的含硼新材料种类尚少（目前只有 种），特别是含 B 四元系材料仅有一种 ；其二，对于合成的含硼光电子材料的特性表征和分析不够，特别是 B 组分的精确表征和带隙性质的判断；其三，已合成的硼化物中 B 的并入比很小（目前 长的 B 并入比最高仅为7%左右）；其四，与 b)材料相类似，硼化物的晶体质量和光学质量随着 B 并入比增大而恶化；其五， B 在 材料中的并入机理尚不清楚、理论研究与实验之间结合得不够紧密。我们将针对以上这些问题，利用 化合物的实验研究，在继续使用三乙基硼（ 硼源的同时，尝试使用 乙硼烷（ ，并加强材料生长机理方面理论与实验的结合，以期显著地提高 B 的并入比，拓展波长，并提高外延层的晶体质量。 B面向自由空间光通信 、瓦斯监测及天基红外信息获取等应用：我们将 深入进行含 化合物特别是 类超晶格材料的理论预测和设计，采用经验赝势法计 算 超晶格材料的能带结构，通过材料结构体系的创新实现能带带阶特性、电子空穴波函数的交叠程度、应变补偿特性的改善，最终实现材料性能的改善和波长的调控。我们将通过研究分子束外延（ 面反应动力学与热力学规律，获得异质兼 容的生长机理和最佳途径，精确控制材料的合金成份和载流子浓度。在生长 带隙半导体材料时，我们将尝试 金属元素采用固态 源 ， V 族 素采用固态源裂解 方1111 11 法获得 的技术方案 （必要时也可以考虑采用 V 族 P 元素的气 态源 ） 和 e、 e、或采用离子注入的技术方案。通过调控衬底温度、 V/束流比、 金束流比例和 V 族 束流比例，获得所需的高性能外延材料。我们将采用反射高能电子衍射（ 荡测量 P 等各 种 V 族元素进入三元系和四元系合金的成分，以获得最佳生长参数；将采用原子力显微镜、扫描电子显微镜、透射电镜研究材料的位错等缺陷；将通过高分辨率 X 射线衍射（ 量和理论模拟获得 的组分；将采用光致发光、吸收光谱测量材料的带隙和量子阱的子能级，并与理论设计进行比较；将采用 应、电化学 方法测量载流子的迁移率和浓度等电学特性。 这些测量将对“诊断”和提高材料的外延生长质量起到重要的作用。 围绕第 2 个科学问题，拟按照如下技术途径开展工作： 在基于半导体环形功能 微结构的器件集成方面，所要考虑的结构设计和制备问题依集成器件或芯片的目标功能而有所差异，兹以多波长半导体微环激光器和双稳态半导体微环激光器为例分述如下： A. 对于多波长半导体微环激光器而言，其主体结构由多个有源微环谐振腔和一条与它们相耦合的总线型光波导组成。首先，我们选择 料作为量子阱材料，因为该材料限制载流子的能力强，适合在大电流下工作，有利于提高量子效率和输出功率。同时，为了进一步提高器件的性能，我们拟采用应变量子阱结构，这样可以使得价带简并度降低，态密度减小，从而达到阈值电流降低、线 宽变窄、调制宽度变大的目的。我们需要从应变量子阱能带结构入手，结合对环形激光器的物理特性的分析，进行材料外延层结构设计，通过制备条形脊波导激光器并测试其 出特性及激射光谱特性，验证材料性能，实现材料结构的优化；考虑到总线型光波导和微环结构各自所需制作工艺与常规工艺的兼容性以及耦合间距控制的精确性，总线型光波导最终会采用与微环结构异层的方案（采用该方案可以将耦合间距通过材料生长或淀积的方式精确控制到埃的量级），波导与微环结构之间以垂直耦合的方式相耦合，但考虑到目前该结构尚难以单片制作，故研制初期宜采用同 层、横向耦合方案；然后，我们需要综合考虑微环与总线型光波导之间的耦合效率及微环内部的损耗等因素，在标准圆环微结构和跑道形微环等不同的微环形状中选择最佳的形状，根据输出波长的具体要求设计多波长环形激光器阵列，结合我们制备单环激光器的基础和经验，设计优化多波长半导体激光器的制备工艺，并针对关键工艺进行攻关，最后制备出达到预期指标的器件。 B. 对于双稳态半导体微环激光器而言，首先需要建立相应的理论模型，着重分析和研究在高速率条件下器件的动态特性以及器件材料参数和结构参数对于器件性能的影响；然后，研究半导体环形激 光器双稳态产生的机理及全光 选择的器件结构包括：三角形波导、单圆形波导、双圆形波导和椭圆波导四种结构，在这些结构中，找出一到两种适合于全光 波导结构。半导体环形激光器制成后需进行相关特性的测量，如器件双稳态 LI 特性以及顺时针旋转（ 逆时针旋转（ 在不同电流条件下的光谱分布等，以便提取相关参数，建立 种模式光的线性和非线性相互作用的物理模型，进而建立全面系统的半导体环形激光器光学双稳态理论模1212 12 型。继之，通过与上述多波长半导体微环激光器类似的技术路线研制 出高性能双稳态半导体微环激光器及全光信号随机存储器芯片。 在其余形 式的光子集成（ 片及其功能微结构设计制备方面，拟首先研究大规模 片集成器件各功能单元的理论模型，建立适合的数值模拟和仿真设计方法，较为全面地开展单片集成 器件的光学、电学和热特性等方面的数值模拟与仿真设计，为实际加工制造提供理论指导和依据；然后，深入开展 同一个衬底片上生长多种不同带隙波长材料的工艺技术研究，掌握用于制作不同功能结构 单元的高质量、高可靠的材料制备工艺和连接技术，解决大规模、多功能 片集 成器件的材料兼容性问题；同步进行各种基元功能微结构集成的物理极限以及结构工艺兼容等基础问题研究，为纵向多功能集成的扩展与横向集成规模的提高提供切实可行的解决途径与实现方法；系统全面地研究特殊基元功能微结构对光偏振状态的影响机理，找到集成光电子器件中光偏振调控的关键工艺与实现途径，积极探索相关基元功能微结构在集成光电子器件中的应用；在上述研究成果基础上，成功研制相关典型器件，解决困扰国内集成光电子器件产业发展的瓶颈问题。 在 单片光电集成（ 接收机芯片方面，为确保高速性能，拟选取波导 测器 与 片集成方案（ 主体方案，精心设计 享外延材料结构，保证两类器件均具有较好的性能，利用 散 工艺，实现发射极部 料转变为 P料。在工艺制作方面，重点针对 射极基极自对准工艺、各个电极的低欧姆接触层工艺、 形波导刻蚀工艺、 散控制工艺、以及介质钝化工艺等关键工艺进行攻关，实现工艺步骤的统筹兼容，实现工艺条件的优化；在器件芯片几何结构和版图方面，优化芯片尺寸，尽量缩减芯片 面积，合理布局，减少寄生效应，并使 跨阻放大器的输入端尽可能地靠近，以减少各种寄生参数。最终实现预期的器件和性能。 围绕第 3 个科学问题，拟按照如下技术途径开展工作： 在微结构光纤中的超快光子学效应与光子行为调控方面，主体研究工作可分为两部分，兹分述如下： A. 高功率、高重复率、多波段的微结构光纤飞秒激光系统：首先，采用高掺杂、低损耗、大模场面积、双包覆的微结构光纤和高功率 浦，提高微结构光纤飞秒激光器振荡级和放大级的运转功率；其次，采用具有不同色散的微结构光纤构成“色散管理” 、“自相似”和“全正色散”腔型以及它们混合作用的激光系统，并研究获得高功率的运转及压缩条件、优化参数和工作稳定性；最后通过多级放大实现百飞秒量级、近百瓦功率的输出。在以上工作基础上，通过多芯高非线性微结构光纤和相干合成技术实现高效率、高功率的 V 波段频率变换；采用多级频率变换技术实现高功率紫外波段运转。 B. 微结构光纤纠缠光子源：首先，采用项目组已掌握的微结构光纤理论分析方法，结合矢量四光子散射理论分析高非线性微结构光纤独特的光学特性以及各种物理因素对参量四光子散射过程的影响，进而设计出关联 /偏振纠缠光子对产生所需的微结构光纤结构。其次，搭建关联 /偏振纠缠光子对产生的实验系统，根据微结构光纤存在色散零点波动和本征双折射的特点，优选具有一定的波长调谐和偏振控制的功能的泵浦和滤波系统；探测器选用 i 探测窗口与待测光子采用残余泵浦光脉冲进行时间同步。第三，针对量1313 13 子通信对高效率，低噪声关联 /偏振纠缠光子对源的需求，理论和实验研究微结构光纤中三阶非线性光学大波长跨度参量荧光的产生及其高效率、低噪声的关联/偏振纠缠光子对产生的特性。最后，综合考虑光纤色散设计、参量相位匹配过程分析和实验系统设计等因素，实验研究实现大波长跨度关联光子对源的可行方案，分析各种物理因素对大波长跨度关联光子对产生特性的影响，总结并提升器件的性能。 在 纤基光电子集成的基本途径与方法方面，主体研究工作可分为四部分，兹分述如下： A. 基于多芯集成式微结构光纤的超宽光谱光源和多波长激光器：拟将掺掺 掺 稀土离子的光纤集成在一起，由于它们的泵浦波长、泵浦功率相近，可利用同一宽带光源进行泵浦，实现几个波长激光的同时输出，然后使用光栅选频，形成多波长光纤激光器。利用具有不同非线性效 应的材料制成微结构光纤的纤芯，把多根纤芯集成在一起，利用高强度脉冲激光激发产生多芯超连续光谱的叠加，从而将输出的光谱宽度扩展为紫外到中红外波长范围，成为超宽光谱光源。通过掺杂一些非线性碲酸盐材料，制备具有不同非线性的纤芯。通过改变掺杂材料的种类（例如掺碲，硼，钛，氟以及稀土氧化物等）、掺杂浓度以及纤芯尺寸等调节进入纤芯的激光功率，实现输出的超连续谱宽度的变化。具体制备方法如下：以超微尺度的 料为基质，利用基质的超微尺度解决掺杂介质对泵浦光具有大的吸收截面；采用溶液法掺杂解决被掺杂介质的均匀分布；采用 熔融、气炼两步法解决气泡问题。最后，对掺杂材料进行物理参数和吸收光谱及荧光强度检测，再按照微结构光纤预制棒的要求，制备出合格的玻璃棒状材料。 B. 微结构光纤与半导体材料及其它相关功能材料的组装：关于功能材料与微结构光纤的组装或沉积技术，拟采用以下两种方式：其一，利用化学汽相等直接沉积的方式实现功能材料与微结构光纤的有机结合；其二，采用“先制备、后组装”的方式。将要组装的功能材料溶解在特定溶液中或直接选择液相材料，然后再注入到微结构光纤中，如果需要选择性的注入到微结构光纤的特定空气孔和光学通道中，还要对微结 构端面首先进行预处理，将不需要组装液体的空气孔堵上。利用毛细、加压或减压的方式注入到微结构光纤中，然后再根据需要，进行干燥处理，在溶剂挥发过程中，通过表面效应和静电作用使功能材料均匀附着在微结构光纤的内壁上。在功能材料的选择及相关光电子功能器件的制备方面，我们提出了两种方案：第一个方案是将半导体量子点、量子线材料组装至微结构光纤中。通过精心设计微结构光纤结构和选择量子点发光材料可以实现更多波段（尤其是目前普通光纤激光器和放大器不可能实现的波段，如可见光波段及中红外波段等）的激光及放大输出。第二个方案是将不同 的功能材料，如电光、非线性、热光、磁光和声光等特性的功能材料组装到特殊设计的微结构光纤中，通过施加外加物理量改变功能材料的有效折射率，实现微结构光纤传导机制和特性的调谐和控制，进而实现基于电、热、光或磁控制的可调谐的新型光纤光电子功能器件。通过深入研究微结构光纤与功能材料组装前后，微结构光纤的光学特性的变化行为；微结构光纤的传导特性与功能材料尺度、能级跃迁、电子带隙、自发和受激辐射等特性的相互作用与相互影响等问题；微结构光纤传导特性的调控机制、调控方式、调控装置实现等等，最后揭示功能材料组装微结构中光子和电 子的量子动力学行为及其调控机理，并最终研制出基于功能材料组装微结构光纤的新型的光电子功能器件。 1414 14 C. 功能微结构光纤中的模式耦合、模式控制机理及新型光电子功能器件：我们重点研究光子带隙光纤、多芯微结构光纤和微结构多维光纤光栅三种功能微结构光纤。其一，对于光子带隙光纤的研究，主要针对四种具有特殊应用价值的带隙光纤：空芯光子带隙光纤、全固光子带隙光纤和填充实心光子带隙光纤、混合传导机制的光子晶体光纤四种结构，通过深入研究不同结构参数对模式传导及模式耦合特性的影响，揭示其传导机理，探索其中的新问题、新现象和新结构 ，以及可能产生的新应用。其二，提出并研究具有新颖耦合特性的多芯微结构光纤，并将多芯微结构光纤耦合特性与功能材料填充及组装技术、光纤光栅写入技术以及光纤激光器等技术相结合，探索集成多种功能特性的光电子集成器件实现的可能性。其三，对于微结构多维光纤光栅的研究，主要是在现有紫外侧写光纤光栅写入技术和二氧化碳激光器通过应力释放机理写制光纤光栅的技术基础上，开发在不同类型微结构上写制多维光纤光栅的技术和手段，深入探索不同光栅写制条件对微结构光纤传导特性和模式谐振特性的影响，提高写制技术。设计并写制出具有特殊谐振效应的 新型多维微结构光纤光栅，并探索其可能的应用；以在不同微结构光纤的不同位置上写制光纤光栅作为研究复杂微结构光纤的模式特性、模式耦合特性、进而实现模式控制的主要手段，探索实现微结构光纤中特定模式耦合和模式控制的机理和技术等诸多科学问题；并根据其中的新现象和新机理研制基于模式耦合和模式控制的新型光电子功能器件。 D. 半导体聚合物基 纤：首先，采用项目组已掌握的微结构光纤理论分析方法 ， 研究 空心 纤 中各分立模式 的模场分布、截止特性 及 损耗等传输特性和纤芯中光场与气体物质相互作用的物理规律，进而优 化用于高灵敏度气体检测的中红外空心 纤的结构设计。其次，建立和完善半导体聚合物基 纤 的制备工艺平台 ，具体制备流程为：先在 聚合物 膜 上 大面积均匀蒸 镀 层，将制成的 层薄膜在玻璃芯棒上卷成多层圆筒 后烧结固化 ， 再 用 腐蚀去除玻璃芯棒即成空心预制棒 ，利用自行建立的半导体玻璃聚合物光纤预制棒的拉丝设备对预制棒进行 拉丝 。在此基础上，研制中红外半导体聚合物空心 纤样品，并 进一步探索 半导体聚合物金属材料“异质兼容”的新型 纤结构和制备 工艺 。 最后， 用干涉显微镜 和 扫描电镜观测光纤截面形貌，鉴定截面层叠周期结构的单元尺寸、均匀性、同心度以及缺陷（如塌陷、剥离等）情况 。 用傅立叶变换红外光谱仪 和损耗谱仪 测量空心 纤的 传输 光谱、 传输损耗、 弯曲损耗及其 传输 带宽，以鉴别其全向反射限制导光机制 ，并论证其中红外激光传输和传感的应用 。 围绕第 4 个科学问题，拟按照如下技术途径开展工作： 在微结构光纤的先进设计与精确制备方法方面，我们拟先从理论上