光电子市场调查报告

光子学也可称光电子学，它是研究以光子作为信息载体和能量载体的科学，主要研究光子是如何产生及其运动和转化的规律。所谓光子技术，主要是研究光子的产生、传输、控制和探测的科学技术。光电子产品广泛应用于工业、农业、国防、科学技术、医疗卫生、消费等国民经济和人民生活等各领域。对于国民经济、科技和国防事业都具有重要的战略意义。尤其是光电子晶体元器件行业属于光电子产业的基础材料行业，拥有巨大的发展前景。

下面介绍几种市场上的激光器和光电子器件

1、 液体激光器

液体激光器的工作物质是一些有机染料溶液，如若丹明、香豆素、碳化青等，或是一些无机液体，如掺钕离子的三氯氧化磷等，也有以蒸气状态工作的。液体中的能带宽，发出的激光波长范围宽达0.05μm。利用如图所示的装置，调节光栅衍射角，只使某一波长光在谐振腔纵轴方向产生衍射极大形成光振荡，并最后输出，以获得单一波长激光。因此，液体激光器输出的波长连续可调的，其输出功率较高且稳定，制备简单，价格便宜。二氧化碳激光打标机

2、半导体激光器

半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器，60年代早期，很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面，以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最为杰出。足够可靠的半导体激光器则直到70年代中期才出现。

半导体激光器体积非常小，最小的只有米粒那样大。工作波长依赖于激光材料，一般为0.6～1.55微米，由于多种应用的需要，更短波长的器件在发展中。据报道，以Ⅱ～Ⅳ价元素的化合物，如ZnSe为工作物质的激光器，低温下已得到0.46微米的输出，而波长0.50～0.51微米的室温连续器件输出功率已达10毫瓦以上。但迄今尚未实现商品化。

3、气体激光器

气体激光器是应用最广泛的一种激光器，气体激光器一般采用电激励源，常使用在连续工作方式上。常见的气体激光器有氦－氖激光器，CO2激光器等。气体激光器效率较高，能以脉冲和连续两种方式工作，常用于精密测量、全息照相等领域。

4、固体激光器（红宝石激光器）

固体激光器一般采用光激励源。工作物质多为掺有杂质元素的晶体或玻璃。最常见的固体激光器有红宝石激光器、钕玻璃激光器、掺钕钇铝石榴石激光器等，固体激光器输出能量高，小

而坚固，在激光设备、激光武器等方面有重要应用能量高，输出功率大，但工作物质种类较少，而且单色性差。 正向结光电子器件

在正向大偏置下半导体PN结结区附近将注入大量非平衡载流子，利用复合发光效应可制成各种颜色发光二极管。电子仪表上普遍使用的红、绿色半导体指示灯、数码管，就是用GaAsP、GaP、AlGaAs等材料制成的。固态发光管功耗低、体积小、寿命长，已逐步取代真空管。用GaAs制成的发光管，发光效率很高，发射波长约9000埃，属人眼不灵敏的近红外波段，广泛用作光电控制和早期光通信的光源。第一只半导体激光器就是用高掺杂GaAs的PN结制成的，虽然现代半导体激光器已被异质结器件所取代，但基本上仍属正向结结构。

[反向结光电子器件

PN结中由于两侧电荷的转移在结区建立很强的内场（达104伏/厘米以上），导致能带弯曲，形成PN结势垒。光生载流子一旦扩散入结区即被内场扫向两侧构成光生电流。硅光电池和光敏二极管就是利用反向结特性工作的器件。硅光电池作为太阳能电源在人造卫星上已得到应用，中国“东方红”2号人造卫星就使用了硅光电池。目前硅光电池能量转换效率已接近15%的理论值。光敏二极管是广泛使用的光检测器

件，为了提高量子效率和响应速度，必须尽量扩大耗尽区（即电场区），因此实用的半导体光电二极管都施加反向偏置，量子效率可达到80%以上，响应时间可小于纳秒，光纤通信系统使用的Si-PIN检测器就是典型的一种。

如果施加足够大的反向偏置，光生载流子在结附近某区域的强电场下加速，其能量可达到引起晶格碰撞电离的阈值。这种电离过程呈雪崩式链锁反应，因而可得到内部增益。利用这种过程可制出快速灵敏的光检测器，称半导体雪崩光电二极管(APD)。它在长距离、大容量光纤通信系统中得到应用。

异质结光电子器件

60年代以来，半导体外延生长技术迅速发展。利用外延生长技术可以把不同半导体单晶薄膜控制生长在一起，形成异质结或异质结构。适当选择异质结构可以获得一些新的电学特性，如单向注入特性、载流子定域限制效应、负电子亲和势等，在光学上具有窗口效应、光波导特性等。异质结的新特性不仅使原有的光电子器件性能得到很大改善，同时还借以研制成许多新功能器件（如量子阱激光器、双稳态光器件等）。双异质结激光器的发明是异质结研究方面的一个重大成就。采用异质结构以后，激光器有源区可精确控制在 0.1微米量级。把注入载流子和光都局限在这个薄层中，使激光器阈值电流密度降低2～3个量级，达到103安/厘米2以下，从而实现低功耗（毫瓦），长命寿（外推百万小时）、室温连

续波工作等目的。异质结在光电子学中的另一成就是70年代出现的半导体光阴极。以前采用的光阴极材料属正电子亲和势材料 (如Cs3Sb-CsO等），量子产额很低，且基本上由热电子弛豫时间决定（10-12秒量级）。利用半导体异质结（如GaAs、InGaAsP－CsO等）负电子亲和势，使量子产额提高3个数量级以上，量子产额由非平衡载流子寿命（10-8秒量级）决定；适当选择材料可使响应波长扩展到红外波段。这类负电子亲和势光阴极特别适用于军事夜视。 利用异质结窗口效应改善了太阳电池的能量转换效率。与硅光电池的理论极限相比，能量转换效率得到成倍提高。在研制成的20种以上异质结光电池中转换效率最高的是AlGaAs/GaAs,达到23%。异质结太阳电池虽成本较高，但适用于特殊用途（如空间应用）。] 多结光电子器件

根据器件功能设计的需要，可以连续生长两个以上多层异质结。这种多结光电子器件可以是二端工作的，也可以是三端或多端的。AlGaAs/GaAsPNPN负阻激光器就是一种多结二端器件，它是将普通的PNPN闸流管和双异质激光器组合成一体的复合功能器件。为了兼顾电学上的全导通和激光器低阈值要求，通常制成NpPpnP结构。其中大写字母表示宽带隙材料，小写字母表示窄带隙材料。这种负阻激光器适用于光电自动控制方面。

【光晶体管是一种多层双结三端器件，它也是一种有内

部电流增益的光电探测器。它不受碰撞电离噪声的限制，因此在长波长低噪声探测器应用方面可与半导体雪崩光电二极管相媲美。

最典型的多结器件是量子阱激光器。量子阱激光器的有源区由多层超晶格材料构成，在超晶格结构中窄带隙材料形成极薄二维电子（或空穴，或二者兼有）势阱，导带中的准连续的电子态变成量子化，电子空穴的复合发光发生在这些量子化的分立状态之间，所以能在相当程度上克服半导体激光器能带工作的弱点。谱线变窄，温度系数变小，而且还可以通过注入电流密度的改变，对发射波长进行调谐。它将扩展半导体激光器的应用领域。]

虽然光电产业发展前景广阔但是仍存在不利因素，

（1）对下游行业的依赖

光电子晶体材料是光电子产业的上游，产品广泛应用于材料加工、美容医疗和军事科研以及半导体照明等领域。光电子晶体材料行业的发展依赖下游应用行业的不断发展，如下游应用行业萎缩，产品需求下降，将对光电子晶体材料行业的生产经营带来一定的不利影响。

（2）研发技术要求不断提高

光电子晶体材料行业属于技术密集型行业，技术实力和研发能力是光电子晶体材料企业维持较高利润率的保证。随着光电子下游应用行业迅速发展，技术进步日新月异，客户要求不断提高，产

品需求呈现专业化趋势，企业必须时刻重视生产工艺的改进和产品性能的提高，以满足持续变化的市场需求。

1、技术壁垒

光电子晶体材料及元器件的生产由晶体生长、晶体切割、晶体抛光、晶体键合、晶体镀膜及产品检测等多项复杂工艺环节构成，每个环节均有较高的技术含量，任何一个环节的技术缺失都会影响光电子晶体元器件的质量，存在较高的技术壁垒。以晶体元器件生产最关键的晶体生长环节为例，晶体生长包括原、辅材料的制备、晶体生长机理、晶体生长控制和晶体表征等诸多方面，体现了材料科学、凝聚态物理和固体化学等多学科交叉的特点。人工晶体类别较多，生长状态和条件差异较大，加上下游应用对于晶体质量的高品质要求，使人工合成晶体方法和技术具有多样性，生长条件和设备具有复杂性。一种晶体采用何种生长技术、生长条件如何控制、相关生长设备如何选择，大规模批量生产后如何保持成品率的稳定等，都成为影响后续加工环节乃至最终元器件质量的重要因素。因此，光电子晶体材料及元器件的生产具有很高的技术含量，新进入者在短时间内很难掌握光电子晶体材料及元器件生产的相关技术，即便是采取引进技术的方式，对技术的消化、吸收及创新也会消耗较多的人力物力，从而形成一定的技术壁垒。

4、人才壁垒

光电子晶体材料行业是当今科学技术的前沿，需要配备晶体结

构、物理化学、电子学、光学、激光等多学科的高级专门人才，以及众多掌握晶体生长、抛光、键合、镀膜工艺的高素质技术人才。人才的培育需要较长的周期，这给新进入本行业者构成了较高的人才壁垒。

（1）拓展晶体生长方法，改进晶体生长设备、提高生长技术和生长工艺，持续开发出尺寸更大、内部质量更优、光学均匀性更高的激光晶体、线性光学晶体、闪烁晶体材料；提升大尺寸、高光学质量元器件的加工及检测技术，以满足固体激光器向高功率、高光束质量、高可靠性、长寿命发展的需求以及线性光学晶体、闪烁晶体高端应用的需求。同时降低晶体生长的成本，以满足更多领域对光电子晶体材料的需求。

（2）不断开发新功能晶体。在激光晶体方面，随着激光技术应用范围的扩大和应用功能的拓展，研制开发能产生其他波段的激光晶体，以满足对多种激光波长的需求；在闪烁晶体方面，开发出光输出更高、衰减时间更快、密度更高、抗辐照硬度更高的新型闪烁晶体，以满足高能物理、核医学成像、安全检查等领域日益增长的需要。

（3）晶体器件、组件、元件模块化设计及其制作技术（如键合、胶合等）的不断进步，有效地提高生产效率，拓展应用领域、降低生产成本。