2023年光电子行业调查报告

2023年光电子行业调查报告（范文）

1、光电子材料按其功能，一般可分为以下7类：

(l)发光(包括激光)材料;

(2)光电显示材料;

(3)光存储材料;

(4)光电探测器材料;

(5)光学功能材料;

(6)光电转换材料;

(7)光电集成材料。

其中，进展重点将主要集中在激光材料、红外探测器材料、液晶显示材料、高亮度发光二极管材料、光纤材料等.。

2.激光晶体材料

1960年T.H.Maiman研制胜利了世界上第一台红宝石(Cr3+:Al2O3)脉冲激光器。随后，人们对激光晶体材料进展了广泛的讨论，讨论的主要目的是收集有关激光晶体的光谱和受激放射特性，确定毕竟哪些类型的激光晶体能提高激光效率。为此，大量合成了一些有科学和应用价值的有序化合物和无序化合物晶体以作为激光基质，然后再掺入激活离子。

当前激光晶体材料向着大尺寸、高功率、LD泵浦、宽带可调谐以及新波长、多功能应用方向进展。激光晶体中以Nd:YAG最成熟，应用最广，产量最大。

2.1Nd:YAG及Yb:YAG晶体材料

得到广泛应用的钇铝石榴石(YAG)是一种综合性能(包括：光学、力学和热学)优良的激光基质。Nd:YAG称为掺钕钇铝石榴石(Nd3+:Y3Al5O12，Nd:YAG)，是于1965年前后从数百种激光新晶体中优选出来的。20世纪70年月在国际上完成了Nd:YAG晶体生长条件的讨论，80年月研制胜利的较大尺寸的Nd:YAG晶体走向工业生产，90年月采纳自动化晶体生长设备，批量生产出Ф70mm~Ф100mm大尺寸Nd:YAG晶体，使得采纳单棒和多棒串联组合体系的千瓦级Nd:YAG激光器得到了进展。

由于Nd:YAG具有较高的热导率和抗光伤阈值，同时3价钕离子取代YAG中的钇离子无须电荷补偿而提高激光输出效率，使它成为用量最多、最成熟的激光材料。此外，为了查找新的激光波长，对YAG基质进展了Er，Ho，Tm，Cr等的单独或组合掺杂，获得了数种波长的激光振荡。

Nd:YAG是抱负的四能级激光器。引上法制备的Nd:YAG因单晶激光棒的增益高、机械性能好而得到广泛应用。Nd3+的离子半径为0.104nm，Y3+的离子半径为0.092nm，由于空间位置效应，YAG晶体中Y3+不易被Nd3+所取代，故Nd3+在钇铝石榴石中的分凝系数比拟小，约为0.15~0.20。Nd3+浓度的集中使该区域形成化学应力，导致中心区域的折射率高于四周区域的，成分的差异也引起相应热膨胀系数的差异。此外，用提拉法生长单晶周期长(约几周)，晶体的生长方式限制了晶体的生长尺寸，也限制其潜在的输出功率。

长期以来，人们始终在寻求替代材料，如：含钕玻璃或微晶玻璃等，但其性能均不及Nd:YAG单晶材料。自上世纪60年月，人们发觉某些致密透亮多晶材料(陶瓷)在某些性能上与同材质单晶材料相近，甚至可以取代单晶材料。由于陶瓷制备技术的优点，克制单晶材料的一些缺点，使产品不仅具有尺寸大，生产效率高，本钱低的特点，而且掺钕量可远高于单晶体的，使其激光输出功率大。用新工艺制造出的陶瓷激光介质，因其散射损耗小和高效的激光振荡而引起广泛关注。因此，Nd:YAG陶瓷有望取代单晶材料而成为大型高功率固体激光器的工作物质。

在1965年贝尔试验室首次获得了Yb:YAG激光，但由于闪光灯泵浦条件下Yb:YAG晶体的高阈值和低转换效率，并未引起人们的重视。1971年采纳GaAs:Si发光二极管为泵浦源，在77K温度下获得了Yb:YAG在1029nm的脉冲激光输出，峰值功率达0.7W，说明此类晶体的激光性能主要取决于泵浦条件。80年月末至90年月，随着InGaAs激光二极管性能的进展和本钱的降低，开头寻求适于激光二极管泵浦条件下的激光晶体，而掺Yb3+激光材料由于具有以下特点而受到了广泛的重视。

(1)Yb3+离子的电子构型为4，仅有两个电子态，即基态2F7/2和激发态2F5/2，在配位场作用下产生Stark分裂后，形成准三或准四能级的激光运行机构。

(2)Yb3+离子汲取带在900~1000nm波长范围，能与InGaAs半导体泵浦源(870~1100nm)有效耦合，且汲取带较宽，对半导体器件温度掌握的要求有所降低。

(3)泵浦波长与激光输出波长接近，量子效率高达90%。

(4)由于量子缺陷较低(8.6%)，材料的热负荷较低(11%)，仅为掺Nd3+同种基质材料的1/3。

(5)不存在激发态汲取和上转换，光转换效率高。

(6)在相对较高的掺杂浓度下也不会消失浓度猝灭。

(7)荧光寿命长，在同种激光材料中为Nd3+离子的三倍多，能有效储存能量。

目前已获得千瓦级连续激光输出的是Yb:YAG晶体，其YAG基质具有优良的光学、热力学、机械加工性能和化学稳定性，特殊适合于作为激光二极管泵浦条件下的高功率激光输出，在激光切割、钻孔以及军用领域具有重要应用价值。

2.2金绿宝石激光材料

金绿宝石(Cr3+:BeAl2O4)是一种新型基质固态激光材料，用闪光灯泵浦在室温下能放射701~818纳米的整个波长范围的激光。这个区间增益是由于电子跃迁到电子震惊带而产生的。另外，人工金绿宝石激光在R线(680.4纳米)的放射截面约为红宝石(R线6943纳米)的十倍，Nd:YAG(1064纳米)的三分之一。在人工金绿宝石中，泵浦放射激光过程的闪光灯的辐射是在中心位于420和590纳米的带上被汲取。在这个波长区域的激发态汲取相当于激光跃迁上能级中的离子汲取。随着激发态汲取，离子无辐射地衰减到激光跃迁的上能级。因此激发态的汲取导致泵浦光转化为热能的直接损耗。

金绿宝石晶体的光学性能和机械性能都类似于红宝石，而且还具备作为优良的激光基质的很多物理的化学的特性和机械性能，如硬度，强度，化学稳定性以及高的热导率(为红宝石2至3倍和YAG的2倍)等，从而使金绿宝石激光棒在高功率泵浦下不产生热损伤。在大多数条件下最大功率可达千瓦级。一支激光棒每厘米长度可承受的最大功率为0.6~1.3千瓦。金绿宝石激光晶体应用于激光器中构造稳定，因而有着广泛的应用前景，将会有更大的进展。

2.3祖母绿晶体材料

最近几年，随着高功率LD的快速进展，探究适合LD泵浦的新型激光晶体和重新评价原有激光晶体成为目前激光领域的重点讨论内容之一。祖母绿(Cr3+:Be3Al2Si6O18)晶体是继金绿宝石(Cr3+:BeA12O4)晶体之后发觉的又一种具有宽带辐射的优秀可调谐激光材料，其良好的理化性能、较高的光转换效率与量子产率以及其近红外激光经过倍频可获得目前较有用的紫外激光输出等优点，使其在众多含Cr3+激光晶体中具有较大的吸引力。目前，随着祖母绿晶体新的生长技术讨论胜利，获得光学级的祖母绿晶体已经成为可能，而高功率LD阵列技术的进展、也必将进一步推动祖母绿晶体激光器的进展。

2.4其它晶体材料

近些年来，可调谐激光晶体是探究新型激光晶体的一个热点，1982年发觉了钛宝石(Ti3+:Al2O3)宽带可调谐激光晶体，此种晶体调谐波长范围宽，导热性能好，室温下可实现大能量、高功率脉冲和连续宽带可调谐激光输出，在军工、工业和科技等领域有广泛的应用，从而将可调谐激光晶体的讨论推向高潮，随后发觉了一系列新的可调谐激光晶体，诸如：Cr3+:BeAl2O4、Cr3+:Mg2SiO4、LiCaAlF6等晶体。20世纪80年月后期，作为泵浦源的激光二级管(LD)晶体，诸如：GaAlAs、InGaAs、AlGalnP等半导体激光晶体的飞速进展，LD泵浦晶体激光器具有高功率、高质量、长寿命、小型化以及导致激光器实现全固化等优越性，掀起了对探究新型LD泵浦的高效率小型化激光晶体的热潮，在此讨论领域中，掺Nd3+激光晶体的讨论，仍旧是最活泼和最重要的一项讨论课题，当前性能较好的LD泵浦的掺Nd3+的激光晶体。

另外，为了适应激光器多种应用，近年来还开展了多波长激光晶体，如Nd:KGa(WO4)2等晶体;新波段激光晶体，如Er:YAP、Ho:YAG等晶体;自激活激光晶体，如NAB与NdP5O14等晶体，以及自倍频激光晶体(NYAB)，Cr:Nd:GdCaO(BO3)3和上转换激光晶体(Ba2ErCl7)等等的讨论，均取得了一些成果。

3.红外探测器材料

红外技术是在40年前开头应用到防备系统上的。红外光电探测器过去所用的材料主要是铅盐。到1970年，诸如InSb和HgCdTe之类的半导体开头在红外技术中占居主导地位，成了制作光导器件的主要材料。这些材料以整体形式生长，它们主要用于制作单个探测器元件。在七十年月，进展了新的生长技术，即液相外延(LPE)，该技术成了制作镶嵌式列阵中的光伏探测器的根底。八十年月初期，美国圣巴巴拉讨论中心(SBRC)首先进展了同质结，以后为了获得声望又进展了异质结，这些都是光伏器件的主要体系构造。到八十年月中期，随着焦点向其次代光电探测器列阵(光伏型)转移，材料、材料构造、材料生长技术以及探测器体系构造开头发生重大变化。

这些变化包括诸如分子束外延(MBE)和金属有机化学汽相淀积(MOCVD)之类的新的生长技术、诸如量子阱光导体之类的先进的材料构造、诸如用于非致冷探测的多色集成光电探测器和微热辐射计之类的新的器件构造以及先进的探测器和材料构造设计手段。用于在1~20μm红外光谱区进展红外探测的材料和材料混合体种类许多。表1列出了这些材料以及它们的光谱范围。

大约在10年前消失的最早的新材料是HgZnTe(HZT)。这是由ArdenSher等人首先提出的。同HgCdTe相比，HZT材料的构造更结实，但它却具有与HgCdTe特别相像的电学和光学特性。在八十年月中期，美国圣巴巴拉讨论中心依据Spicer-Sher-Chen的HgCdTe合金的键稳定性模型，用液相外延长成了HZT。由于材料学方面的一些问题，HZT最适合用水平液相外延从相位图的Te角处进展生长，这样便不会具有最正确的HgCdTe器件中所用的从Hg角处生长的垂直液相外延层的挠性。这个生长难题始终限制着HgZnTe在红外焦平面技术方面的应用。

到九十年月，消失了一组新的适用于红外但基于Ⅲ-V族材料的合金半导体。美国圣巴巴拉讨论中心的Sher小组首次预报了InTlP材料。这些材料是用非平衡生长技术:分子束外延、金属有机化学汽相淀积以及金属有机分子束外延生长的。它们被用于制作集成焦平面列阵，例如，在这种集成焦平面列阵中，可以将InTlP探测器列阵直接生长在包含读出和多路传输器功能的InP衬底上。

目前HgCdTe依旧占居着红外探测器材料的主导地位。由于HgCdTe体晶生长受到组分分凝、Hg压难于掌握等客观条件的限制，使体晶材料在单晶面积、组分匀称性和结晶完整性等方面已不能满意红外焦平面探测器件进展的需要，而HgCdTe外延(LPE、MBE、MOVPE等)因其生长温度低，克制了体晶熔体生长的缺点，并能直接获得适合器件的构造(如原生双色、pn结、外表钝化等)。因此，外延技术已成为HgCdTe晶体讨论的方向。

CdZnTe是一种由CdTe和ZnTe组成的膺二元化合物半导体材料，熔点因Zn含量不同，在1092~1295℃变化。由于生长温度高、热导率低、离子性强、堆垛层错能低、机械强度小等不利于晶体生长的因素，因此，要生长符合衬底要求且重复性好、成品率高的CdZnTe晶体是非常困难的。但由于其在军事和民用领域的重要应用价值，一些西方兴旺国家二十多年来从未连续过对CdZnTe晶体的讨论，晶体性能不断提高，并在一系列大面阵红外探测器、x/γ射线探测器、光电调制器、高效太阳能电池等领域得到了较好的应用。

大面积高匀称性HgCdTe外延薄膜及大尺寸CdZnTe衬底材料仍是2023年前红外探测器所用的主要材料。

4.液晶材料

显示用液晶材料是由多种小分子有机化合物组成的，这些小分子的主要构造特征是棒状分子构造。现已进展成许多种类，例如各种联苯腈、酯类、环己基(联)苯类、含氧杂环苯类、嘧啶环类、二苯乙炔类、乙基桥键类和烯端基类以及各种含氟苯环类等。近几年还讨论开发出多氟或全氟芳环以及全氟端基液晶化合物。随着LCD的快速进展，人们对开发和讨论液晶材料的兴趣越来越大。

4.1TN-LCD用液晶材料

TN型液晶材料的进展起源于1968年，当时美国公布了动态散射液晶显示(DSM-LCD)技术。但由于供应的液晶材料的构造不稳定性，使它们作为显示材料的使用受到极大的限制。1971年扭曲向列相液晶显示器(TN-LCD)问世后，介电各向异性为正的TN型液晶材料便很快开发出来;特殊是1974年相对构造稳定的联苯睛系列液晶材料由G.W.Gray等合成出来后，满意了当时电子手表、计算器和仪表显示屏等LCD器件的性能要求，从而真正形成了TN-LCD产业时代。

LCD用的TN液晶材料已进展了许多种类。这些液晶化合物的构造都很稳定，向列相温度范围较宽，相对粘度较低。不仅可以满意混合液晶的高清亮点、低粘度在20~30mPa·S(20℃)及△n≈0.15的要求，而且能保证体系具有良好的低温性能。含联苯环类液晶化合物的△n值较大，是改善液晶陡度的有效成分。嘧啶类化合物的K33/K11值较小，只有0.60左右，在TN-LCD和STN-LCD液晶材料配方中，常常用它们来调整温度序数和△n值。而二氧六环类液晶化合物是调整“多路驱动”性能的必需成分。

4.2STN-LCD用液晶材料

自1984年创造了超扭曲向列相液晶显示器(STN-LCD)以来，由于它的显示容量扩大，电光特性曲线变陡，比照度提高，要求所使用的向列相液晶材料电光性能更好，到80年月末就形成了STN-LCD产业，其产品主要应用在BP机、移动电话和笔记本电脑、便携式微机终端上。

STN-LCD用混晶材料一般具有下述性能：低粘度;大K33/K11值;△n和Vth(阈值电压)可调;清亮点高于工作温度上限30℃以上。混晶材料的调制往往采纳“四瓶体系”。这种调制方法能够独立地转变阈值电压和双折射，而不会明显地转变液晶的其他特性。

STN-LCD用液晶化合物主要有二苯乙炔类、乙基桥键类和链烯基类液晶化合物。二苯乙炔类化合物：把STN-LCD的响应速度从300ms提高到120~130ms，使STN-LCD性能得到大幅度的改善，从而在当今的STN-LCD中使用较多，现行STN-LCD用液晶材料中约有70%的配方中含有二苯乙炔类化合物。乙基桥键类液晶：与相应的其他类液晶比拟，这类液晶的粘度、△n值都比拟低;相应化合物的相变温度范围和熔点相对较低，是调整低温TN和STN混合液晶材料低温性能的重要组分。链烯基类液晶：由于STN-LCD要求具有陡阈值特性，为此，只有增加液晶材料的弹性常数比值K33/K11才能到达目的。烯端基类液晶化合物具有特别大的弹性常数比值K33/K11，用于STN-LCD中，得到特别满足的结果。

近年来，STN显示器在比照度、视角与响应时间上都有显著的进步。由于TFT-LCD的冲击，STN-LCD渐渐在笔记本电脑和液晶电视等领域失去了市场。鉴于本钱的因素，TFT-LCD将不行能完全代替STN-LCD原有的在移动通讯和嬉戏机等领域的应用。

4.3TFT-LCD用液晶材料

随着薄膜晶体管TFT阵列驱动液晶显示(TFTLCD)技术的飞速进展，近年来TFTLCD不仅占据了便携式笔记本电脑等高档显示器市场，而且随着制造工艺的完善和本钱的降低，目前已向台式显示器发起挑战。由于采纳薄膜晶体管阵列直接驱动液晶分子，消退了穿插失真效应，因而显示信息容量大;协作使用低粘度的液晶材料，响应速度极大提高，能够满意视频图像显示的需要。因此，TFTLCD较之TN型、STN型液晶显示有了质的飞跃，成为21世纪最有进展前途的显示技术之一。

与TN、STN的材料相比，TFT对材料性能要求更高、更严格。要求混合液晶具有良好的光、热、化学稳定性，高的电荷保持率和高的电阻率。还要求混合液晶具有低粘度、高稳定性、适当的光学各相异性和阈值电压。TFTLCD用液晶材料的特点：

TFTLCD同样利用TN型电光效应原理，但是TFTLCD用液晶材料与传统液晶材料有所不同。除了要求具备良好的物化稳定性、较宽的工作温度范围之外，TFTLCD用液晶材料还须具备以下特性：

(1)低粘度，20℃时粘度应小于35mPa·s，以满意快速响应的需要;

(2)高电压保持率(V.H.R)，这意味液晶材料必需具备较高的电阻率，一般要求至少大于1012Ω·cm;

(3)较低的阈值电压(Vth)，以到达低电压驱动，降低功耗的目的;

(4)与TFTLCD相匹配的光学各向异性(△n)，以消退彩虹效应，获得较大的比照度和广角视野。△n值范围应在0.07~0.11之间。

在TN、STN液晶显示中广泛使用端基为氰基的液晶材料，如含氰基的联苯类、苯基环己烷类液晶，尽管其具有较高的△ε以及良好的电光性能，但是讨论说明，含端氰基的化合物易于引人离子性杂质，电压保持率低;其粘度与具有一样分子构造的含氟液晶相比仍较高，这些不利因素限制了该类化合物在TFTLCD中的应用。酯类液晶具有合成方法简洁、种类繁多的特点，而且相变区间较宽，但其较高的粘度导致在TFTLCD配方中用量大为削减。因此，开发满意以上要求的新型液晶化合物成为液晶化学讨论工作的重点。

目前，在液晶显示材料中，TN-LCD已逐步迈入衰退期，市场需求渐渐萎缩，而且生产力量过剩，价格竞争剧烈，己不具备投资价值。而STN-LCD将渐渐进入成熟期，市场需求稳步上升，生产技术完全成熟。而TFT-LCD在全球范围内正进入新一轮快速增长期，市场需求急剧增长，有望成为21世纪最有进展前途的显示材料之一。

5.高亮度发光二极管材料

发光二极管(LED)是采纳电阻率较低的P型和n型半导体材料，通过掺杂，到达较高宽度的能隙，从而到达有效的光辐射通路，获得可见光辐射的效果，供人类应用。但是在实际生产过程中，绝大多数半导体材料所具有的是间接能隙，因此不适合做LED材料。而硅和锗等典型的半导体材料虽然很简单制成二极管，但其发光效率极低，但只能放射红外线。在自然环境中，金刚石是唯一具有较宽能隙的材料，并能放射可见光，但这种材料制作难度大，而且价格过于昂贵，因此也不是抱负的材料。人类在不断实践、改良、探究过程中，找到AlGaAs材料、AlGaInP材料、InGaN材料等一元素、三元素、四元素材料。同时不断改良衬底材料和封装材料，使得在从红色到紫外的整个光谱范围内都可以找到适宜的LED材料。

发光二极管(LED)问世于20世纪60年月，1964年Ⅲ-V族发光材料GaAsP开发胜利，消失了红色LED，峰值波长约为650nm。虽然，驱动电流为20mA时，单个LED发出的光通量只有千分之几流明，相应的发光效率只有0.1lm/W，但是全固体光源开头被人们承受，主要用于指示灯领域。

70年月，材料讨论更加活泼，是LED进展史上的第一个高潮。GaAsP/GaAs的质量有所提高，并且利用汽相外延(VPE)和液态外延法(LPE)制作外延材料，如GaPZnO红色LED和GaPN绿色LED，不仅使光效提高到1lm/W，而且发光颜色掩盖了从黄绿色到红外的光谱范围(565~940nm)，应用也开头进入显示领域。

80年月之后，应用层面渐渐绽开，封装技术逐步提高，周边支持条件也相对形成，促使LED技术得到突破。例如，用LPE技术制作GaAlAs外延层，制作高亮度红色LED和红外二极管(ILED)，波长分别为660、880和940nm。随着金属有机化学汽相外延法(MOVPE)的开发，产生了780nm半导体激光二极管;用新芯片材料AlInGaP制成的红色、黄色LED光效可达10lm/W，若采纳透亮衬底，光效可超过20lm/W。而1994年通过MOVPE研制的第三代半导体材料GaN使蓝、绿色LED光效到达10lm/W，实现了LED的全色化。

发光二极管材料在90年月有了突破性进展。90年月初，Toshiba公司和HewlettPackark公司开发了InGaAlP材料，该材料具有高发光成效，可掩盖从黄绿光到红光整个光谱范围。90年月中期，Nichia公司和ToyodaGosei公司研发出具有高发光成效的发蓝和纯绿光的InGaNLEDs，有史以来第一次生产出能满意户内和户外各种应用的高亮度全色LED。

通常，人们把光强为1cd作为一般LED和高亮度LED的分界点。目前，制作高亮度LED的材料主要为AlGaAs、AlGaInP和GaInN。AlGaAs适用于高亮度红光和红外LED，用LPE制造;与GaAs衬底晶格匹配的四元直接带隙材料AlGaInP的发光二极管量子效率高，发光波长范围掩盖了从红光到黄绿光，因此高亮度红、橙、黄光光源经常采纳AlGaInP材料来生长器件。高亮度发光管在交通指示灯、全彩色户外显示及自动显示等方面得到了广泛的应用。GaInN适用于高亮度深绿、蓝、紫及紫外LED，用高温MOVPE制造。

自1995年以来，高亮度发光二极管(LED)的市场每年以58.4%的平均增长速率增长，2023年其销售额已达12亿美元。如此快的增长速度是由于高亮度LED的性能在不断提高，发光范围扩展到掩盖整个可见光谱区，使得新的应用不断扩大的结果，这正是以前传统低亮度比LED不能到达的效果。

高亮度LED的性能通常是由制作它们所用的材料和组装灯的性能而打算的，所使用的材料一般为AlGaAs、InGaAlP和InGaN。特殊在蓝光InGaNLED中再掺入一种光材料，能获得发白光的LED。利用这三种材料中的任意一种制作的标准5mm灯，其发光强度至少有几百毫坎。