电子和光子材料

新型的电子和光子材料有巨大的发展潜力。基于GaAs （砷化镓） 的集成电路的开发是发展下一代高性能计算机的决定性技术，也是国防部门发展更高性能抗核辐射防御系统的基础。半导体激光器和探测器正在使电信、消费电子产品和成像处理领域发生转变。尽管光子和电子技术有如此重要的创新，但其真正的变革潜力在于这两个领域的结合。在信息处理方面，电子电路已接近其理论性能极限，电子流通过半导体材料产生热和电磁干扰。这些因素限制了在单个集成电路芯片上封装的微电子装置相互接近的程度； 连接微电子器件、电路、装置和系统的电连接仅能输送有限的信息量，因此会造成微处理器处理信息的速度高于信息被传送到其它部件或终端用户的速度。
光子学为克服传统电子学的固有局限性提供了有希望的替换手段。光子材料有比普通导线连接传输更大的信息量，并且不产生热和电磁干扰。目前的技术具有在独立的接收器和处理器之间，以光纤连接比初级的光电子集成水平 (例如： 光纤通信)。下一步在微处理器 (或微处理器同其他器件，例如： 信息存储单元) 之间将以光子连接，再加上单个电路之间用光学方法互联。在一个单片回路中连接极微小的光子和电子装置 (例如： 探测器、激光器、晶体管) 的光电集成电路 (OEIC)代表了光电子集成技术的最先进水平。当光电子技术发展到目前微电子电路可兼容的水平时，OEIC很可能在信息处理能力方面取得重大的进步。材料的兼容性差是提高光电子集成水平的重要障碍。光子材料，GaAs或相应的化合物半导体，不能与主要的微电子材料硅完全兼容 (由于硅不能发射相干光，不能探测由多种重要的激光器发射光，所以硅不是有效的光子材料)。由于GaAs既是有效的光子材料又极有希望应用于微电子领域，因此，如果能解决制造问题和其它相关的材料问题，那么GaAs这种化合物半导体将对光电子集成产生巨大的影响。其它的途径包括使用在硅衬底上生长的GaAs薄层，开发具有改进的光电子特性的硅超晶格晶体。
在理论上，光子学不仅能够最终取代联接微电子器件的电子管联接，还可能最终取代在微处理器中执行逻辑功能的半导体开关。光子处理器在理论上可以处理的信息速度显著地高于现有的半导体。尽管有这样的潜力，但还没有取得大的技术突破。实现光学信息处理会需要几十年。
从长远来看，超导材料的应用会导致在速度方面取得重大改进和降低电子器件和装置的功耗。例如： 电子开头可用较传统半导体开关快许多倍的约瑟夫森结技术制造，但是，在超导电子产品可成为商业化产品之前，需克服一些材料方面的困难。因此，这项技术与光电子技术上还处于早期的开发阶段。还有，对制冷的需求可能限制这项技术的市场范围。为了扶植应用，美国政府保持一项广泛的超导研究和开发计划，其重点是材料研究、超导导体线和超导电子等。电子材料： 半导体是制造大多数电子器件和集成电路的主要材料。同时，其它材料像聚合物、陶瓷、金属和复合材料作为绝缘体和导体也起重要的作用。半导体可用于制作晶体管——今天信息社会的基本器件。虽然半导体通常导电性不好，但当掺进某种杂质时可变成高导电性材料，控制半导体掺杂区的电流是发挥微电子器件作用的基础。
硅一直是微电子学革命中的主要材料，它有许多优点，包括储量丰富、成本低和机械强度高。并且，硅晶体生长容易，适于制成薄片以制造数以百万计的微电子器件。最重要的是通过在氧气中加热这种材料可形成高质量的硅氧化物层。这种氧化物提供了一个绝缘层，这个绝缘层是硅电子设备基本器件场效应管(EETS)极为重要部件，稍加处理，这种氧化物就可起到其他重要作用，例如： 使器件与衬底绝缘和作为集成电路部件的保护层。这种高质量的氧化物的存在，加上高度发展的工艺技术，使高性能、低成本、极可靠地使以硅为基础的微电子器件和集成电路的大批生产成为可能。尽管硅材料取得了成功，但提高性能的需要一直激励着人们要为微电子应用而开发改进的半导体材料。
目前最有希望的替换材料是GaAs，它是一种化合物半导体。在GaAs晶体中电子的运动速度比在硅晶体中快，并产生更少的热量。GaAs还具有较强的抗核辐射能力，这在和航天应用方面是重要的。GaAs电路已在最新一代超高速超级计算机中使用。遗憾的是，GaAs的制造问题和高成本限制了基于GaAs的器件的广泛应用。与硅不同，GaAs是相对稀少的元素，GaAs晶体生长困难，比硅晶体贵得多。GaAs另一个严重的缺点是缺乏高质量的、本身的氧化物绝缘层。缺乏这种保护性的电绝缘使制造大规模集成电路复杂化。在开发易于大量生产GaAs器件的有效绝缘层方面，研究人员遇到困难，部分原因是人们还不完全了解GaAs与其他物质是如何相互作用的，尽管GaAs和相关化合物半导体材料可以使器件性能得到改进，但目前存在的问题是使基于GaAs的器件和集成电路局限在专门化的应用领域，要到1999年以后才会得到广泛的使用。
光子材料： 光子材料包括那些产生、探测或传输相干光的材料。迄今为止，光子材料已在电信领域具有最大的商业影响，在该领域中纤维光缆正迅速取代铜导线。激光器是产生相干光的装置。多种激光器被用于光子装置中，其中半导体激光器与微电子器件具有兼容性。第一批半导体激光器是用GaAs和砷镓铝 (AlGaAs)制造的。基于砷镓铟 (InGaAs) 和其他化合物的半导体材料，已经和正在用于开发多种新型激光器。半导体激光器作为光纤通信、小型光盘唱机和显示系统的光源具有重要的商业应用价值。与激光器相比，探测器的材料是把光转换成电流。这些器件的功能与激光器功能相反，但它们以相似的物理机理工作。光激发半导体中的电子被激发到其导电状态，于是，探测器可把光波转换为电信号，然后这些信号由微电子装置处理成信息。大多数探测器是用硅、硒化铅 (PbSe) 和碲镉汞 (HgCdTe)这样的半导体材料制造的。在光通信、激光制导、热成像、条型码阅读器、机器人、复印机、摄像机及其他商业和军用系统中，这类探测器是集成部件。正在开发用于特殊的高性能应用的先进探测器材料，例如： 硅化铂 (PtSi) 和砷镓铟。

电子和光子材料

新型的电子和光子材料有巨大的发展潜力。基于GaAs （砷化镓） 的集成电路的开发是发展下一代高性能计算机的决定性技术，也是国防部门发展更高性能抗核辐射防御系统的基础。半导体激光器和探测器正在使电信、消费电子产品和成像处理领域发生转变。尽管光子和电子技术有如此重要的创新，但其真正的变革潜力在于这两个领域的结合。在信息处理方面，电子电路已接近其理论性能极限，电子流通过半导体材料产生热和电磁干扰。这些因素限制了在单个集成电路芯片上封装的微电子装置相互接近的程度； 连接微电子器件、电路、装置和系统的电连接仅能输送有限的信息量，因此会造成微处理器处理信息的速度高于信息被传送到其他部件或终端用户的速度。
光子学为克服传统电子学的固有局限性提供了有希望的替换手段。光子材料有比普通导线连接传输更大的信息量，并且不产生热和电磁干扰。目前的技术具有在独立的接收器和处理器之间，以光纤连接比初级的光电子集成水平 (例如： 光纤通信)。下一步在微处理器 (或微处理器同其他器件，例如： 信息存储单元)之间将以光子连接，再加上单个电路之间用光学方法互联。在一个单片回路中连接极微小的光子和电子装置 (例如： 探测器、激光器、晶体管) 的光电集成电路 (OEIC) 代表了光电子集成技术的最先进水平。当光电子技术发展到目前微电子电路可兼容的水平时，OEIC很可能在信息处理能力方面取得重大的进步。材料的兼容性差是提高光电子集成水平的重要障碍。光子材料，GaAs或相应的化合物半导体，不能与主要的微电子材料硅完全兼容 (由于硅不能发射相干光，不能探测由多种重要的激光器发射光，所以硅不是有效的光子材料)。由于GaAs既是有效的光子材料又极有希望应用于微电子领域，因此，如果能解决制造问题和其他相关的材料问题，那么GaAs这种化合物半导体将对光电子集成产生巨大的影响。其他的途径包括使用在硅衬底上生长的GaAs薄层，开发具有改进的光电子特性的硅超晶格晶体。
在理论上，光子学不仅能够最终取代联接微电子器件的电子管联接，还可能最终取代在微处理器中执行逻辑功能的半导体开关。光子处理器在理论上可以处理的信息速度显著地高于现有的半导体。尽管有这样的潜力，但还没有取得大的技术突破。实现光学信息处理会需要几十年。
从长远来看，超导材料的应用会导致在速度方面取得重大改进和降低电子器件和装置的功耗。例如： 电子开关可用较传统半导体开关快许多倍的约瑟夫森结技术制造，但是，在超导电子产品可成为商业化产品之前，需克服一些材料方面的困难。因此，这项技术与光电子技术上还处于早期的开发阶段。还有，对制冷的需求可能限制这项技术的市场范围。为了扶植应用，美国政府保持一项广泛的超导研究和开发计划，其重点是材料研究、超导导体线和超导电子等。电子材料：半导体是制造大多数电子器件和集成电路的主要材料。同时，其他材料像聚合物、陶瓷、金属和复合材料作为绝缘体和导体也起重要的作用。半导体可用于制作晶体管——今天信息社会的基本器件。虽然半导体通常导电性不好，但当掺进某种杂质时可变成高导电性材料，控制半导体掺杂区的电流是发挥微电子器件作用的基础。
硅一直是微电子学革命中的主要材料，它有许多优点，包括储量丰富、成本低和机械强度高。并且，硅晶体生长容易，适于制成薄片以制造数以百万计的微电子器件。最重要的是通过在氧气中加热这种材料可形成高质量的硅氧化物层。这种氧化物提供了一个绝缘层，这个绝缘层是硅电子设备基本器件场效应管 (EETS)极为重要部件，稍加处理，这种氧化物就可起到其他重要作用，例如： 使器件与衬底绝缘和作为集成电路部件的保护层。这种高质量的氧化物的存在，加上高度发展的工艺技术，使高性能、低成本、极可靠地使以硅为基础的微电子器件和集成电路的大批生产成为可能。尽管硅材料取得了成功，但提高性能的需要一直激励着人们要为微电子应用而开发改进的半导体材料。
目前最有希望的替换材料是GaAs，它是一种化合物半导体。在GaAs晶体中电子的运动速度比在硅晶体中快，并产生更少的热量。GaAs还具有较强的抗核辐射能力，这在和航天应用方面是重要的。GaAs电路已在最新一代超高速超级计算机中使用。遗憾的是，GaAs的制造问题和高成本限制了基于GaAs的器件的广泛应用。与硅不同，GaAs是相对稀少的元素，GaAs晶体生长困难，比硅晶体贵得多。GaAs另一个严重的缺点是缺乏高质量的、本身的氧化物绝缘层。缺乏这种保护性的电绝缘使制造大规模集成电路复杂化。在开发易于大量生产GaAs器件的有效绝缘层方面，研究人员遇到困难，部分原因是人们还不完全了解GaAs与其他物质是如何相互作用的，尽管GaAs和相关化合物半导体材料可以使器件性能得到改进，但目前存在的问题是使基于GaAs的器件和集成电路局限在专门化的应用领域，要到1999年以后才会得到广泛的使用。
光子材料包括那些产生、探测或传输相干光的材料。迄今为止，光子材料已在电信领域具有最大的商业影响，在该领域中纤维光缆正迅速取代铜导线。激光器是产生相干光的装置。多种激光器被用于光子装置中，其中半导体激光器与微电子器件具有兼容性。第一批半导体激光器是用GaAs和砷镓铝 (AIGaAs) 制造的。基于砷镓铟 (lnGaAs) 和其他化合物的半导体材料，已经和正在用于开发多种新型激光器。半导体激光器作为光纤通信、小型光盘唱机和显示系统的光源具有重要的商业应用价值。与激光器相比，探测器的材料是把光转换成电流。这些器件的功能与激光器功能相反，但它们以相似的物理机理工作。光激发半导体中的电子被激发到其导电状态，于是，探测器可把光波转换为电信号，然后这些信号由微电子装置处理成信息。大多数探测器是用硅、硒化铅 (PbSe) 和碲镉汞(HgCdTe) 这样的半导体材料制造的。在光通信、激光制导、热成像、条形码阅读器、机器人、复印机、摄像机及其他商业和军用系统中，这类探测器是集成部件。正在开发用于特殊的高性能应用的先进探测器材料，例如： 硅化铂 (PtSi) 和砷镓铟。