紫外光电子器件——氮化物技术及应用

译者前言半导体领域中，Ⅲ族氮化物的发展一直是过去几十年，尤其是1993年以来至关重要的方向，特别是高能量光电子器件的技术进步和应用开发，是半导体领域引人关注的研究工作。2014年，随着氮化物蓝光LED发明人获得诺贝尔奖，蓝光LED的研发已经达到。与此对应，技术难度更大的Ⅲ族氮化物基紫外光电器件正逐步向人们走来，这其中有紫外发光二极管、激光器以及相关的紫外探测器，其目标都是向更高Al组分、更短波长发展，以期实现AlGaN全系的高性能紫外光电器件。诺贝尔奖得主,日本名古屋大学教授天野浩就在蓝光之后一直从事紫外发光器件方面的研究，主要是波长为250～350nm的紫外LED，这种LED除了杀菌用途外，预计还可应用于印刷、医疗、科学等领域。使用AlGaN或InAlGaN制作紫外光源的主要优点是：① 具有通过量子阱（QW）获得高效率光发射的可能性；② 具有在宽带隙光谱区域内同时产生p型和n型半导体的可能性；③ 氮化物硬度高并且器件寿命更长；④ 材料中没有砷、汞和铅等有毒有害物质；⑤ LED固有的优点，开关快速、能耗低、体积小等，不需要任何预热时间，并且可以几十纳秒或更快的切换速度开启和关闭。根据光谱范围，人们划分了UVA（320～400nm），UVB（280～320nm）和UVC（200～280nm）的范围。而LED的优势使得研究人员预期了很多的应用领域：UVA光谱范围内的重要应用包括油墨、涂料、树脂、聚合物和黏合剂的UV固化，以及快速原型和轻型结构的3D打印。其他应用可以在感测领域找到，例如，增白剂或荧光增白剂，探测安全的功能，例如，身份证和纸币以及医疗应用如血液气体分析。UVB的关键应用是光疗，特别是牛皮癣和白癜风的治疗，以及植物生长照明，例如靶向触发次生植物代谢物。UVC的大规模应用是水净化（例如末端系统）、废水处理和回收，以及医疗器械和食品的消毒。UVB和UVC-LED也有许多传感应用，因为许多气体（如SO2，NOx，NH3）和生物分子在这些光谱区显示出吸收带，包括色氨酸、NADH、酪氨酸、DNA和RNA。UVC-LED也可以用于非视距通信，也是重力传感器领域中基础科学实验的兴趣所在，例如ESA/NASA激光干涉仪空间天线（LISA）任务中，用于实现电荷管理系统。诸多优势需要面对的现实就是技术上尚未成熟，需要更多的研发和合作，让产学研、产业链上下游能够协同起来，把氮化物紫外发光器件推向如蓝光LED般的高度。译者所在研发中心已有10多年深紫外LED的开发历程，深知其长产业链的难度以及技术开发积累的重要性。本书主编Michael Kneissl教授和Jens Rass教授均就职于德国柏林工业大学固体物理研究所与莱布尼茨高频技术学院，费迪南德-布朗学院。本书非常及时而且全面地总结了目前氮化物紫外发光器件的进展，对于我们进一步研发和产业化是很好的借鉴。希望本书的翻译出版能使更多的人了解这个领域，更多的人参与到这个领域，从而实现广泛的技术交流和应用开发，能够为Ⅲ族氮化物紫外光电器件产业提供帮助。因本书原著中采用英制学非国际标准的计量单位，为了保持原书中数据的直观性，翻译时并未对单位进行改变，读者使用数据时请用本书列出的单位换算表进行换算即可。鉴于专业所限以及文学修养不足，书中疏漏难免，希望读者海涵并能够指正为盼。这里要感谢中国科学院半导体照明研发中心的全体同事在氮化物材料、器件、封装、应用方面的工作，尤其是他们在紫外器件方面的工作，也让译者能够更贴切地表达出原文的专业术语。谢海忠老师等对翻译进行了校对，在此一并致谢。段瑞飞 王军喜 李晋闽中国科学院半导体照明研发中心2018年于北京前言过去的二十年中，Ⅲ族氮化物基紫外发光二极管（UV-LED）及其应用经历了飞速的发展。这可以通过许多方面来说明。例如，在紫外LED领域发表的文章数量正稳步上升，并在2014年时达到几乎每年1000篇期刊文章（图1）。然而，我们发现，这样快速增长使得人们很难对所有研究进展有全面的概述。很多时候，当半导体材料和光电子器件领域的研究人员描述紫外发光器件的应用时，会发现这些信息的系统性不够。另一方面，在各个领域应用紫外发光器件和探测器的开发人员和工程师往往不理解材料和器件开发的复杂性。本书的目的就是把所有这些进展置于同一背景下，提供Ⅲ族氮化物材料、紫外光电器件及其应用的技术的全面综述。目标读者为研究人员和电气工程师，材料科学、物理学研究生以及科学家，将紫外发光器件和探测器应用到各领域的开发人员。本书提供了Ⅲ族氮化物材料的概述，包括其结构、光学和电学性质以及各种光电元器件，如UV-LED、紫外激光器和光电探测器的关键性能。本书还提供了一些关键紫外发光器件和探测器应用的介绍，包括水净化、光疗、气敏传感、荧光激发、植物生长照明和UV固化。虽然每个章节都是独立的，并可以不需其他章节的知识来理解，但对各章的组织也是有意选择的。首先集中于基础材料的属性，随后章节集中在紫外器件，而后几个章节描述紫外发光器件和探测器的关键应用。在第1章，Michael Kneissl介绍了Ⅲ族氮化物紫外发光器件的技术及其应用。第2章Matthias Bickermann回顾了氮化铝体衬底的生长和结构特性。第3章中，Eberhard Richter，Sylvia Hagedorn，Arne Knauer和Markus Weyers回顾了使用蓝宝石作为衬底用于UV范围内氮化物基发光器件，尤其是氢化物气相外延生长低缺陷密度的AlGaN模板。第4章中，Hideki Hirayama讨论了蓝宝石衬底上低缺陷密度的AlN以及AlGaN层晶体生长技术，并给出的蓝宝石DUV-LED性能特性。第5章中，Shigefusa F. Chichibu，Hideto Miyake，Kazumasa Hiramtsu和Akira Uedono深入讨论了位错和点缺陷对近带边发射AlGaN基DUV发光材料内量子效率的影响。第6章理解缺陷对UV-LED IQE的作用对于提高紫外LED效率和输出功率至关重要。器件方面，UV-LED的光偏振和光提取等由Jens Rass和Neysha Lobo-Ploch给予综述。AlN体衬底上UVC-LED的同质外延生长及其在水消毒中应用由James R.Grandusky，Rajul V. Randive，Therese C. Jordan和Leo J. Schowalter在第7章综述。Noble M.Johnson，John E.Northrup和Thomas Wunderer在第8章讨论了AlGaN量子阱激光器异质结构中的光学增益，并展示了AlGaN基紫外激光二极管发展现状。而在第9章，日盲和可见光盲紫外光电探测器由Moritz Brendel，Enrico Pertzsch，Vera Abrosimova和Torsten Trenkler进行了回顾。第10章中，Marlene A.Lange，Tim Kolbe和Martin Jekel检查了UVC-LED的水消毒应用，同时第11章中，Uwe Wollina，Bernd Seme，Armin Scheibe和Emmanuel Gutmann描述了紫外发光器件在皮肤病光疗中的应用。第12章中，Hartmut Ewald和Martin Degner回顾了紫外发光器件在气体传感中的应用，而第13章Emmanuel Gutmann，Florian Erfurth，Anke Drewitz，Armin Scheibe和Martina C.Meinke讨论了化学和生命科学领域的紫外荧光检测和光谱系统应用。第14章，Monika Schreiner，Inga Mewis，Susanne Neugart，Rita Zrenner，Melanie Wiesner，Johannes Glaab和Marcel.A.K. Jansen综述了UV LED的植物生长照明应用，特别是适用UVB光谱的次生植物代谢物诱导。后一章中，UV LED固化应用由Christian Dreyer和Franziska Mildner综述。我们要感谢各章的所有作者及时且准备充分的贡献。没有他们的付出，辛勤工作和持之以恒，不可能会有这本书。我们也要特别感谢施普林格科学出版社的Claus Ascheron，他提供我们编辑这本书的机会并在此期间给予持续支持。Michael KneisslJens Rass德国柏林

本书全面介绍了基于Ⅲ族氮化物的紫外LED、激光器和探测器的*技术，涵盖不同的衬底及外延方法，InAlGaN材料的光学、电学和结构特性以及各种光电子器件，如UV-LED、紫外激光器和紫外日盲探测器。此外，综述了紫外发光器件和探测的一些关键应用领域，包括水净化、光疗、气敏、荧光激发、植物生长照明和UV固化。本书含有大量翔实的图表和参考文献，可供读者进一步了解和认识氮化物紫外光电器件及其应用。本书由德国、美国、日本、爱尔兰等国的知名专家共同执笔，各章的作者都在相关领域有着丰富的经验，其对技术发展的独到见解，能够开拓读者思路，为国内氮化物紫外光电子器件的发展提供借鉴和参考。本书可供电气工程、材料科学、物理学研究生层次的学生、研究人员和科学家，以及将紫外发光器件和探测器用到各种领域的开发人员参考。

本书全面介绍了基于Ⅲ族氮化物的紫外LED、激光器和探测器的*技术，涵盖不同的衬底及外延方法，InAlGaN材料的光学、电学和结构特性以及各种光电子器件，如UV-LED、紫外激光器和紫外日盲探测器。此外，综述了紫外发光器件和探测的一些关键应用领域，包括水净化、光疗、气敏、荧光激发、植物生长照明和UV固化。本书含有大量翔实的图表和参考文献，可供读者进一步了解和认识氮化物紫外光电器件及其应用。本书由德国、美国、日本、爱尔兰等国的知名专家共同执笔，各章的作者都在相关领域有着丰富的经验，其对技术发展的独到见解，能够开拓读者思路，为国内氮化物紫外光电子器件的发展提供借鉴和参考。本书可供电气工程、材料科学、物理学研究生层次的学生、研究人员和科学家，以及将紫外发光器件和探测器用到各种领域的开发人员参考。

段瑞飞，中国科学院半导体研究所博士，北京中科优唯科技有限公司副总经理，氮化物半导体物理、材料、器件以及应用十多年研究经验，致力于氮化物深紫外LED的产业化。王军喜，研究员，博导，中国科学半导体照明研发中心副主任，带领团队在国内首先制备出深紫外LED专用设备，开拓性实现国内300nm以下毫瓦级LED器件，填补了国内在该领域的空白。李晋闽，原中国科学院半导体研究所所长，科技部“半导体照明联合创新国家重点实验室”主任，“国家半导体照明研发及产业联盟”研发主席兼“联盟标准化委员会”主任。半导体照明外延、芯片及应用集成技术团队的发起人和领导者。

第1章氮化物紫外光电子器件技术及应用概述/001

摘要001

1.1背景002

1.2UV发光器件及其应用003

1.3UV-LED的技术和未来挑战004

1.4UV-LED的主要参数和器件性能007

1.5缺陷对UV-LED IQE的作用008

1.6UV-LED的电注入效率和工作电压010

1.7UV-LED的光提取011

1.8UV-LED的热管理与退化012

1.9展望013

1.10小结014

致谢015

参考文献015

第2章AlN体衬底的生长与性能/025

摘要025

2.1AlN晶体的特性与历史026

2.2PVT法生长AlN体单晶：理论027

2.3PVT法生长AlN体单晶：技术029

2.4籽晶生长与晶体长大031

2.5PVT生长AlN体单晶的结构缺陷033

2.6AlN衬底的杂质及相应性质034

2.7结论与展望037

致谢038

参考文献038

第3章蓝宝石衬底上氮化物UV发光器件用AlGaN层气相外延/044

摘要044

3.1简介045

3.2MOVPE生长Al(Ga)N缓冲层046

3.3减少MOVPE生长Al(Ga)N层TDD的技术048

3.4HVPE生长AlGaN层050

3.4.1HVPE技术基础050

3.4.2衬底的选择053

3.4.3HVPE选择生长AlGaN层结果054

3.5小结062

致谢063

参考文献063

第4章AlN/AlGaN生长技术和高效DUV-LED开发/067

摘要067

4.1简介068

4.2DUV-LED研究背景068

4.3蓝宝石衬底上高质量AlN的生长技术073

4.4内量子效率(IQE)的显著提高076

4.5222～351nm AlGaN和InAlGaN DUV-LED080

4.6电注入效率(EIE)通过MQB的增加086

4.7未来高光提取效率(LEE)的LED设计092

4.8小结098

参考文献098

第5章位错和点缺陷对近带边发射AlGaN基DUV发光材料内量子效率的影响/101

摘要101

5.1简介103

5.2实验细节104

5.3杂质和点缺陷对AlN近带边发光动力学的影响107

5.4AlxGa1-xN薄膜的近带边有效辐射寿命112

5.5硅掺杂及引起的阳离子空位形成对AlN模板上生长Al0.6Ga0.4N薄膜近带边发光的发光动力学影响113

5.6小结117

致谢118

参考文献118

第6章UV-LED的光偏振和光提取/122

摘要122

6.1紫外LED光提取123

6.2光偏振125

6.2.1影响AlGaN层光偏振开关的因素127

6.2.2光学偏振与衬底方向的关系130

6.2.3光学偏振对光提取效率的影响132

6.3改善光提取的概念134

6.3.1接触材料与设计134

6.3.2表面制备138

6.3.3封装144

参考文献145

第7章半导体AlN衬底上高性能UVC-LED的制造及其使用点水消毒系统的应用前景/151

摘要151

7.1简介153

7.1.1UVC光源类型153

7.1.2什么是UVC光？153

7.1.3紫外杀菌如何工作？155

7.2AlN衬底上UVC LED的制造156

7.3提升POU水消毒用的UVC-LED性能增益162

7.3.1UVT效应162

7.3.2设计灵活性164

7.3.3流动单元建模165

7.3.4流动分析案例165

7.3.5UVC光的使用168

参考文献169

第8章AlGaN基紫外激光二极管/171

摘要171

8.1简介172

8.2AlN体材上的材料质量生长174

8.2.1AlN体衬底174

8.2.2同质外延AlN174

8.2.3AlGaN激光器异质结构175

8.2.4多量子阱有源区176

8.3宽带隙AlGaN材料的大电流能力177

8.4大电流水平下的高注入效率180

8.5光泵浦UV激光器183

8.6紧凑深紫外Ⅲ-N激光器的其他概念186

8.6.1电子束泵浦激光器186

8.6.2InGaN基VECSEL 二次谐波产生187

8.7小结187

致谢188

参考文献188

第9章日盲和可见光盲AlGaN探测器/192

摘要192

9.1简介193

9.2光电探测器基础195

9.2.1特征参数与现象195

9.2.2各种类型的半导体光电探测器202

9.3Ⅲ族氮化物用于固态UV光电检测211

9.3.1AlGaN基光电导体213

9.3.2AlGaN基MSM光电探测器213

9.3.3AlGaN基肖特基势垒光电二极管214

9.3.4AlGaN基PIN光电二极管215

9.3.5AlGaN基雪崩光电探测器217

9.3.6AlGaN基光阴极219

9.3.7高度集成的Ⅲ氮族器件220

9.4宽禁带光电探测器现状221

9.5小结223

参考文献224

第10章紫外LED水消毒应用/234

摘要234

10.1简介235

10.2紫外消毒的基本原则235

10.2.1影响紫外能流的因素237

10.2.2紫外反应器性能的建模与验证239

10.3案例分析240

10.3.1测试紫外LED的实验设置提案241

10.3.2测试条件243

10.3.3使用紫外LED测试的结果246

10.4紫外LED水消毒应用潜力251

致谢252

参考文献252

第11章紫外发光器件皮肤病光疗应用/256

摘要256

11.1简介257

11.2紫外光疗的光源257

11.2.1自然日光258

11.2.2气体放电灯259

11.2.3激光器261

11.2.4UV-LED261

11.3皮肤紫外光疗的变化262

11.3.1补骨脂素加UVA(PUVA)治疗262

11.3.2宽谱UVB(BB-UVB)治疗263

11.3.3窄谱UVB(NB-UVB)治疗264

11.3.4UVA-1治疗265

11.3.5靶向紫外光疗265

11.3.6体外光化学治疗(ECP)266

11.4主要皮肤适应证的作用机制267

11.4.1牛皮癣268

11.4.2特应性皮炎268

11.4.3白癜风269

11.4.4皮肤T细胞淋巴瘤269

11.4.5扁平藓和斑秃269

11.4.6全身性硬化症和硬斑病270

11.4.7移植体抗宿主病270

11.4.8多形性日光疹270

11.5采用新型UV发光器件的临床研究271

11.5.1使用无极准分子灯的研究271

11.5.2使用紫外LED的研究272

11.6总结与展望273

参考文献273

第12章紫外发光器件气体传感应用/281

摘要281

12.1简介282

12.2吸收光谱284

12.3吸收光谱系统288

12.4紫外光谱仪光源291

12.5光谱仪用LED的光学和电学性质295

12.6UV-LED吸收光谱仪的应用298

12.6.1臭氧传感器299

12.6.2臭氧传感器设计299

12.6.3测量配置300

12.6.4结果300

12.6.5SO2和NO2传感器301

12.6.6SO2/NO2气体排放传感器设计301

12.6.7测量配置302

12.7结论与展望303

参考文献304

第13章化学与生命科学中的紫外荧光探测和光谱仪/306

摘要306

13.1简介307

13.2荧光检测和光谱仪的基础和装置308

13.3实验室分析仪器用荧光313

13.4环境监测和生物分析用荧光化学传感315

13.5用自发荧光探测微生物322

13.6皮肤病医疗诊断用荧光326

13.7总结与展望329

参考文献329

第14章UVB诱导次生植物代谢物/339

摘要339

14.1次生植物代谢物的本质和形成340

14.2次生植物代谢物的营养生理学341

14.3水果蔬菜消费与慢性病的关系342

14.4植物-环境相互作用中的次生植物代谢物342

14.4.1植物的UVB感知和信令342