6．半导体太阳电池——非晶硅薄膜太阳电池
今日非晶硅薄膜太阳电池已发展成为实用廉价的太阳电池品种之一，具有相当的工业规模。寰球上非晶硅太阳电池的总组件生产能力达到每年50MW以上，组件及相关产品的销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源，大到10MW级的独立电站，对太阳能光伏的发展起了重要的推动作用。
和晶体硅相比，非晶硅薄膜具有制备工艺简单、成本低和可大面积连续生产的优点。在太阳电池领域，其优点具体表现为：
（1）材料和制造工艺成本低。这是因为非晶硅薄膜太阳电池是制备在廉价的衬底材料上，如玻璃、不锈钢、塑料等，其价格低廉；而且，非晶硅薄膜仅有数千埃厚度，不足晶体硅电池厚度的百分之一，这也大大降低了硅原材料的成本；进一步而言，非晶硅制备是在低温进行，其沉积温度为100℃~300℃，显然，规模生产的能耗小，可以大幅度降低成本。
（2）易于形成大规模生产能力。
（3）多品种和多用途。
（4）易实现柔性电池。非晶硅可以制备在柔性的衬底上，而且它的硅网结构力学性能特殊，因此，它可以制备成轻型、柔性太阳电池，易于和建筑集成，以及各种日常用品。
但是，和晶体硅相比，非晶硅太阳电池的效率相对较低，在实验室电池的稳定的较高转换效率只有16％左右；在实际生产线上，效率不超过10％；而且，非晶硅太阳电池的光电转化效率在太阳光的长期照射下有严重地衰减，到目前为止仍然没有根本解决。
另外，还有军事和卫星用的化合物太阳能叠层电池。
7．半导体白光照明
➤1.发展半导体白光照明意义
氮化镓发光管（LED）是一种高效长寿命的固态照明光源。白炽灯、荧光灯是目前面广量大的传统白光照明光源。白炽灯是一种热光（色温2800Ｋ），含有大量的红外线，工作寿命短，发光效率低，而荧光灯则是一种冷光，高效率，但寿命短，有毒（含汞)。与传统的白炽灯和荧光灯相比，氮化镓发光管是一种具有体积小、重量轻、电压低、效率高、寿命长等特点的固态照明冷光源，因此是一种节能、绿色照明光源。
氮化镓LED目前已经用在许多场合：景观灯、交通灯、汽车尾灯、大屏幕显示灯。
能源是经济、社会可持续发展不可缺少的要素，节约能源、提高能效是可持续发展能源的重大战略。据统计，全寰球“照明”耗能约占总电功率的20％。由于LED高效发光，LED白光照明可节省大量的发电煤和原油使用量，全球每年可减少25亿吨CO2排放量。
因此，氮化镓LED白光照明具有巨大的市场前景，将来成本和效率问题解决以后，可代替目前广泛使用的白炽灯和荧光灯，引发一次白光照明技术革命。国际上把半导体照明光源中期目标（5-10年内）定为>100 lm/W，2020年达到200 lm/W或300 lm/W，这样就可替代传统照明。
➤2.氮化镓LED白光照明的技术途径
众所周知，由红(Red)、绿(Green)、蓝（Blue）三基色可合成白光，如图24所示。该图为1931色度图，三角形中央虚线区为白光区。氮化镓LED一般只能发出一种颜色的光。白光照明也要通过RGB三基色的合成来实现。RGB三基色可以直接靠LED发射三基色光，也可用LED去激发荧光物质，通过二次光转换获得三基色光或准三基色光。
所以，实现氮化镓LED白光照明有两种技术途径：一种是利用氮化镓发光二极管（LED）去激发荧光物质转换成白光，可称作为“二次光转换白光技术”；另一种是利用LED直接发射白光，可称作为“直接发射白光技术”。
➤3. LED白光照明技术发展方向
（1）研究发展近紫外、深紫外LED器件，实现高显色指数的“固体白光荧光灯”。这种白光技术具有显色指数高（CRI>90）、转换效率高（外量子效率43%），色彩重现性高等特点，是一种较理想的白光源。
（2）研究发展III族氮化物LED直接发射白光技术
（3）研究提高LED发光效率、光通量，发展功率型LED其器件
传统白炽灯发光效率为16 lm/W，荧光灯发光效率为85 lm/W，因此，Ⅲ族氮化物LED白光照明光源要替代白炽灯和荧光灯，其发光效率至少要超过100 lm/W，同时要降低成本。
8．光盘存储和激光测距、激光打印、激光仪器
光盘存储和激光测距、激光打印、激光仪器等是半导体激光器的另一重大应用领域。CD盘（只读声盘）、DVD（数值可视盘）所用的激光器波长分别为780nm和670nm、650nm，由激光器将信息“写”入光盘或者从光盘上“读”出声音或光信号。激光器的波长越短，光盘存储密度就越高。波长为410nm的InGaN激光器可以将光盘的存储量再提高一大步。波长为670-630nm的InGaAlP激光器已在许多场合取代了He－Ne激光器，在激光测距、激光打印、激光医疗仪器中得到了重要的应用。
9．半导体激光器的军事应用
波长为808nm的AlGaAs大功率激光器是大功率YAG（掺钇铝石榴石）固体激光器的泵浦光源，代替了原来的氙气激光器，取消了庞大的电源和冷却系统，使固体激光器变得高效率、小体积、高性能、长寿命、低成本，适合于军事应用，例如激光雷达和核爆炸模拟、核聚变研究。水下光传播的窗口为590nm，蓝绿光激光器的诞生为水下通信开了绿灯。火箭、飞机飞行过程中掌握方向的光纤陀螺中最关键的器件是半导体超辐射发光二极管。
10．环境保护
大自然中，水汽、甲烷、氨气、二氧化碳、一氧化碳、盐酸、溴酸、硫化氢等气体的灵敏吸收峰在1.5-2.0mm范围。InAsSb或GaInAsSb应变量子阱激光器的波长可达1.0-4.0mm范围，近年来出现的量子级联激光器的波长可达4.0-17mm。这些覆盖了红外－远红外范围的各类激光，构成了大气监控、监测的环保卫士。
三、半导体技术的未来发展
1．信息技术的革命
信息传输。信息量的爆炸式的增加，对信息通道的容量要求越来越大。在网上传递的不仅是文字、而且还有音乐、图像、电视信号等；不仅是有线，还需要无线；不仅是洲际、国际、城际，而且需要局域网。为此需要发展新的通信系统，如综合业务数字网络（ISDN）以及多媒体技术等。
信息处理，包括文本处理、知识处理、图像处理以及语言识别、图像识别、智能化处理等。人工智能就是通过计算机实现了某些人的智能。例如：理解和发出语言、识别图像、作数学证明、下棋、音乐作曲、进行专业鉴定、医学诊断等。计算机将把人们从一部分日常的脑力劳动中解放出来，并且通过应用“思维工具”把人们的智慧扩大到以前不可想象的程度。
2．更高的集成度
寰球集成电路主流工艺将经过：2007年的65纳米（集成电路线宽）、2010年的45纳米、2013年的33纳米、以及2016年的22纳米工业化生产的4个发展阶段。为此，就必须解决一系列的关键技术和专用设备，如：新型器件的研发（非传统CMOS器件、新型存储器、逻辑器件等），IC设计、封装、和测试技术，新型光刻机、刻蚀机等配套设备等。
半导体器件的尺寸不能无限制地减小，如果器件尺寸小到电子的德波罗依波长（10纳米），量子效应将会更加明显，这时需要设计建立在量子力学原理基础上的新型半导体器件。
3．半导体光电器件
半导体光电器件向更长和更短波长、更大功率、更高工作频率的方向发展
大功率激光器列阵分准连续(QCW)器件与连续(CW)器件，它们除了作固体激光器的泵浦源外，还可直接用作材料加工、医疗、仪器、敏感技术、印刷制版等，进入传统中由非半导体激光器主宰的市场，代替气体、固体激光器。AlGaN/GaN异质结双极晶体管具有线性好、电流容量大、阈值电流均匀等优点，主要应用在线性度要求高、工作环境苛刻的大功率微波系统中，如军用雷达、通信等；还可应用于在苛刻环境下工作的智能机器人等系统中。
4．集成光学和集成光电子学
由集成在半导体薄膜上的激光器、调制器、波导、光栅、棱镜和其它无源光学元件构成的系统叫做集成光学系统。集成光学系统用光互连代替电互连，在计算机和通信系统中具有通带宽、信息量大、损耗小、速度快、能并行处理、抗电磁干扰等优点。硅材料的成本低廉、工艺成熟，在微电子器件中得到广泛应用。但是由于它是间接带隙材料，不能作发光器件。目前科学家们正在解决光源的问题，以便在硅材料上做到光电集成。
5．半导体超晶格和量子线、量子点器件
半导体超晶格、量子线、量子点是低维结构，它们具有一些特殊的物理性质，如量子限制效应和电子运动的二维或一维特性，可以制成一些性能优异的器件，如：激光器、高电子迁移率器件、光双稳器件、共振隧穿器件等。当器件的尺寸、维度进一步减小，使得电子运动的平均自由程大于器件的尺寸时，电子在运动过程中将不受杂质、晶格振动等的散射，而作一种相干波运动。
利用这些特点预计可制造出超高速、超低电能的电子器件。例如量子点单电子晶体管将使动态随机存储器（DRAM）的功耗大大降低。
6．半导体量子信息器件
目前的工艺已经能在半导体量子点上产生和探测单个光子，使得半导体量子点成为实现量子信息处理（量子计算、量子通信）最有希望的固体器件。量子信息科学技术的迅速发展，为精密测量、量子计算和保密通讯等领域都提供了全新的革命性的理论和实验方法。量子信息最关键的是利用光子的相干性。
光子作为量子理论中最基本的量子化实体，能够很容易地实现收集、传递、复制、存储和处理信息的全过程，具有作为量子通讯、量子计算载体的独特的先天优势。因此基于光子过程的量子信息处理器件是各种量子信息工程的基础，它的基本原理研究和制备必将为计算科学和通讯能力带来飞越式的发展。
7．自旋电子器件
目前微电子器件是应用载流子电荷携带信息。如果一种材料能同时利用载流子的电荷和自旋属性作为信息的载体，将可以制造出具有非挥发、低功耗、高速和高集成度的优点的器件，甚至有可能引起电子信息科学重大的变革。掺磁性离子的稀磁半导体及自旋电子学（Spintronics）即应此要求而生。
实验发现，半导体中自旋相干时间已经达到ns量级，远远超过电荷的相干时间，预示着自旋电子学在未来量子计算和量子通信中的重要应用前景。实现自旋为基的量子计算机的主要困难是准确控制和保持自旋相干，因此如何产生自旋相干电子态，以及减小自旋退相干有许多物理问题需要研究和解决。
（信息来源：信息化协同创新专委会）
