厦门大学校长张荣教授：宽禁带半导体全面支撑光电子技术的可持续发展

▲厦门大学校长、张荣教授分享《Ⅲ族氮化物半导体光电子器件的几个科学问题》大会报告

报告首先基于国家重大战略需求和重要性，介绍了宽禁带半导体材料的性能优势和宽禁带半导体光电子器件功能与应用。张荣教授指出，光电子技术是服务于国防建设、社会发展、国民经济各个领域，是信息、能源、军事、医疗等领域的核心支撑，保障“中国制造2025”等国家战略的实施。宽禁带半导体全面支撑光电子技术的可持续发展。
 

▲厦门大学校长、张荣教授
 

基于宽禁带半导体材料的性能优势，因其能带结构随固溶体组成变化，可以实现材料能带结构的“剪裁”。进而，可以从材料、器件、芯片等核心技术支撑光健康、光生物、设施农业、公共卫生安全、太阳能电站、多场景显示、光通信、物联网、电网监测、深海深空探测等领域不同场景和应用需求。张荣教授认为，未来宽禁带半导体将朝着高速率、高灵敏度、高效率、多谱段的方向发展。能量密度区间及物理特征有所区分，决定了器件的物理行为，也将催生出不同场景应用。

 

此外，关于Ⅲ族氮化物半导体光电子器件的内涵与核心问题，张荣教授从其构成与技术特点，信息光电子技术的内涵与核心问题，典型信息光电子器件应用，能量光电子技术的内涵与核心问题，典型能量光电子器件应用多个方面展开分享。并就其构成与技术特点提出两核心个问题，即以光子为信息载体的信息光电子技术，低光能量密度实现高灵敏度和高速率的信号探测与输出，如何实现微弱信号的获取和处理？另外，以光子为能量载体的能量光电子技术，通过高光能量密度的能量输出达到高效率，如何实现更高能量的输出和处理？

 

LED在不同工作区间的物理特征及应用，不同能量密度场调控器件内的物理行为，适用于不同应用场景。面向低光能量密度信号的探测和传输， 需要高灵敏度的探测技术和高调制带宽通信技术，针对微弱甚至极微弱信号的高增益放大，高频率响应、RC时间常数小。他指出，高灵敏度是决定信息光电子器件性能的核心要素。高灵敏度探测器件的技术路线是人工结构设计--“场” 调控。并介绍了AlGaN SAM型雪崩光电二极管场调控设计，AlGaN雪崩光电二极管极化场调控，“场”调控触发大规模雪崩倍增，实现了低光能量密度信号的高灵敏探测。
 

 

关于异质结能带工程在AlGaN雪崩器件中的应用，采用AlGaN异质结倍增层替代传统的同质结进一步实现“态”调控，可增加倍增区的平均离化系数，减少电子发动倍增过程产生的过剩噪声。

 

他表示，能量光电子技术的核心问题是提高能量转换效率。高转换效率的技术实现路径--“场” 调控与“态”调控。能量光电子技术以“场”和“态”的调控为核心，多粒子间的能量场耦合实现低损耗的能量转换。强量子限域结构的“态”调控实现高效率光能量输出。以III族氮化物半导体为核心的LED技术已成为固态照明技术的主流，以照明技术的能效发展为例，从最初的< 2lm/W的低能效，通过能量光电子调控机制的不断创新和能量间转换效率的突破式发展，到现在实现LED照明芯片>300lm/W。

报告中，还分享了关于氮化镓基单芯片白光LED多粒子共振能量转移研究，非/半极性面加强能量态密度的调控，发展半极性面氮化镓基长波长LED器件，高能量密度的光激射机理 ，基于新型元激发的低阈值激光器，高能量密度下的若干物理现象，AlN/GaN超晶格中的激子极化激元等科学问题前沿研究。

 

最后，张荣教授在总结与展望时指出，宽禁带半导体光电子器件支撑光电子的可持续发展，依技术内涵划分为信息光电子技术和能量光电子技术。信息光电子技术是面向低能量密度光信号，高灵敏度探测和高调制带宽助推高速率、高灵敏度、低功耗信息化技术的发展。能量光电子技术是发展更高能量间转换效率的半导体照明及激光等技术，高能量密度下有望催生新物理现象。