紫外光電子器件——氮化物技術及應用 epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

1. 本書係統性地總結瞭全球紫外光電子器件的研究進展。詳細介紹瞭用於紫外光電子的氮化物襯底、外延、材料物理以及紫外發光二極管、激光器以及紫外探測器的製備。
2. 由德國柏林工業大學固體物理研究所的Michael Kneissl教授和Jens Rass教授召集德國、美國、日本、愛爾蘭等近50名全球知名專傢共同編寫。
3. 除基礎理論外，本書精心選擇紫外光電子的重點應用領域加以詳述：(1)UVA光譜範圍內的重要應用包括UV固化和紫外感測；(2)UV-B的關鍵應用是光療，特彆是牛皮癬和白癜風的治療，以及植物生長照明例如靶嚮觸發次生植物代謝物；(3)UVC的大規模應用是水淨化例如使用端係統，廢水處理和迴收，以及醫療器械和食品的消毒。

內容簡介

本書全麵介紹瞭基於Ⅲ族氮化物的紫外LED、激光器和探測器的新技術，涵蓋不同的襯底及外延方法，InAlGaN材料的光學、電學和結構特性以及各種光電子器件，如UV-LED、紫外激光器和紫外日盲探測器。此外，綜述瞭紫外發光器件和探測的一些關鍵應用領域，包括水淨化、光療、氣敏、熒光激發、植物生長照明和UV固化。
本書含有大量翔實的圖錶和參考文獻，可供讀者進一步瞭解和認識氮化物紫外光電器件及其應用。本書由德國、美國、日本、愛爾蘭等國的知名專傢共同執筆，各章的作者都在相關領域有著豐富的經驗，其對技術發展的獨到見解，能夠開拓讀者思路，為國內氮化物紫外光電子器件的發展提供藉鑒和參考。
本書可供電氣工程、材料科學、物理學研究生層次的學生、研究人員和科學傢，以及將紫外發光器件和探測器用到各種領域的開發人員參考。

作者簡介

段瑞飛，中國科學院半導體研究所博士，北京中科優唯科技有限公司副總經理，氮化物半導體物理、材料、器件以及應用十多年研究經驗，緻力於氮化物深紫外LED的産業化。
王軍喜，研究員，博導，中國科學半導體照明研發中心副主任，帶領團隊在國內首先製備齣深紫外LED專用設備，開拓性實現國內300nm以下毫瓦級LED器件，填補瞭國內在該領域的空白。
李晉閩，原中國科學院半導體研究所所長，科技部“半導體照明聯閤創新國傢重點實驗室”主任，“國傢半導體照明研發及産業聯盟”研發主席兼“聯盟標準化委員會”主任。半導體照明外延、芯片及應用集成技術團隊的發起人和領導者。

內頁插圖

目錄

第1章氮化物紫外光電子器件技術及應用概述/001
摘要001
1．1背景002
1．2UV發光器件及其應用003
1．3UV-LED的最新技術和未來挑戰004
1．4UV-LED的主要參數和器件性能007
1．5缺陷對UV-LED IQE的作用008
1．6UV-LED的電注入效率和工作電壓010
1．7UV-LED的光提取011
1．8UV-LED的熱管理與退化012
1．9展望013
1．10小結014
緻謝015
參考文獻015
第2章AlN體襯底的生長與性能/025
摘要025
2．1AlN晶體的特性與曆史026
2．2PVT法生長AlN體單晶：理論027
2．3PVT法生長AlN體單晶：技術029
2．4籽晶生長與晶體長大031
2．5PVT生長AlN體單晶的結構缺陷033
2．6AlN襯底的雜質及相應性質034
2．7結論與展望037
緻謝038
參考文獻038
第3章藍寶石襯底上氮化物UV發光器件用AlGaN層氣相外延/044
摘要044
3．1簡介045
3．2MOVPE生長Al(Ga)N緩衝層046
3．3減少MOVPE生長Al(Ga)N層TDD的技術048
3．4HVPE生長AlGaN層050
3．4．1HVPE技術基礎050
3．4．2襯底的選擇053
3．4．3HVPE選擇生長AlGaN層結果054
3．5小結062
緻謝063
參考文獻063
第4章AlN/AlGaN生長技術和高效DUV-LED開發/067
摘要067
4．1簡介068
4．2DUV-LED研究背景068
4．3藍寶石襯底上高質量AlN的生長技術073
4．4內量子效率(IQE)的顯著提高076
4．5222～351nm AlGaN和InAlGaN DUV-LED080
4．6電注入效率(EIE)通過MQB的增加086
4．7未來高光提取效率(LEE)的LED設計092
4．8小結098
參考文獻098
第5章位錯和點缺陷對近帶邊發射AlGaN基DUV發光材料內量子效率的影響/101
摘要101
5．1簡介103
5．2實驗細節104
5．3雜質和點缺陷對AlN近帶邊發光動力學的影響107
5．4AlxGa1-xN薄膜的近帶邊有效輻射壽命112
5．5矽摻雜及引起的陽離子空位形成對AlN模闆上生長Al0．6Ga0．4N薄膜近帶邊發光的發光動力學影響113
5．6小結117
緻謝118
參考文獻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影響AlGaN層光偏振開關的因素127
6．2．2光學偏振與襯底方嚮的關係130
6．2．3光學偏振對光提取效率的影響132
6．3改善光提取的概念134
6．3．1接觸材料與設計134
6．3．2錶麵製備138
6．3．3封裝144
參考文獻145
第7章半導體AlN襯底上高性能UVC-LED的製造及其使用點水消毒係統的應用前景/151
摘要151
7．1簡介153
7．1．1UVC光源類型153
7．1．2什麼是UVC光？153
7．1．3紫外殺菌如何工作？155
7．2AlN襯底上UVC LED的製造156
7．3提升POU水消毒用的UVC-LED性能增益162
7．3．1UVT效應162
7．3．2設計靈活性164
7．3．3流動單元建模165
7．3．4流動分析案例165
7．3．5UVC光的使用168
參考文獻169
第8章AlGaN基紫外激光二極管/171
摘要171
8．1簡介172
8．2AlN體材上的最高材料質量生長174
8．2．1AlN體襯底174
8．2．2同質外延AlN174
8．2．3AlGaN激光器異質結構175
8．2．4多量子阱有源區176
8．3寬帶隙AlGaN材料的大電流能力177
8．4大電流水平下的高注入效率180
8．5光泵浦UV激光器183
8．6緊湊深紫外Ⅲ-N激光器的其他概念186
8．6．1電子束泵浦激光器186
8．6．2InGaN基VECSEL+二次諧波産生187
8．7小結187
緻謝188
參考文獻188
第9章日盲和可見光盲AlGaN探測器/192
摘要192
9．1簡介193
9．2光電探測器基礎195
9．2．1特徵參數與現象195
9．2．2各種類型的半導體光電探測器202
9．3Ⅲ族氮化物用於固態UV光電檢測211
9．3．1AlGaN基光電導體213
9．3．2AlGaN基MSM光電探測器213
9．3．3AlGaN基肖特基勢壘光電二極管214
9．3．4AlGaN基PIN光電二極管215
9．3．5AlGaN基雪崩光電探測器217
9．3．6AlGaN基光陰極219
9．3．7高度集成的Ⅲ氮族器件220
9．4寬禁帶光電探測器現狀221
9．5小結223
參考文獻224
第10章紫外LED水消毒應用/234
摘要234
10．1簡介235
10．2紫外消毒的基本原則235
10．2．1影響紫外能流的因素237
10．2．2紫外反應器性能的建模與驗證239
10．3案例分析240
10．3．1測試紫外LED的實驗設置提案241
10．3．2測試條件243
10．3．3使用紫外LED測試的結果246
10．4紫外LED水消毒應用潛力251
緻謝252
參考文獻252
第11章紫外發光器件皮膚病光療應用/256
摘要256
11．1簡介257
11．2紫外光療的光源257
11．2．1自然日光258
11．2．2氣體放電燈259
11．2．3激光器261
11．2．4UV-LED261
11．3皮膚紫外光療的變化262
11．3．1補骨脂素加UVA(PUVA)治療262
11．3．2寬譜UVB(BB-UVB)治療263
11．3．3窄譜UVB(NB-UVB)治療264
11．3．4UVA-1治療265
11．3．5靶嚮紫外光療265
11．3．6體外光化學治療(ECP)266
11．4主要皮膚適應證的作用機製267
11．4．1牛皮癬268
11．4．2特應性皮炎268
11．4．3白癜風269
11．4．4皮膚T細胞淋巴瘤269
11．4．5扁平蘚和斑禿269
11．4．6全身性硬化癥和硬斑病270
11．4．7移植體抗宿主病270
11．4．8多形性日光疹270
11．5采用新型UV發光器件的臨床研究271
11．5．1使用無極準分子燈的研究271
11．5．2使用紫外LED的研究272
11．6總結與展望273
參考文獻273
第12章紫外發光器件氣體傳感應用/281
摘要281
12．1簡介282
12．2吸收光譜284
12．3吸收光譜係統288
12．4紫外光譜儀光源291
12．5光譜儀用LED的光學和電學性質295
12．6UV-LED吸收光譜儀的應用298
12．6．1臭氧傳感器299
12．6．2臭氧傳感器設計299
12．6．3測量配置300
12．6．4結果300
12．6．5SO2和NO2傳感器301
12．6．6SO2/NO2氣體排放傳感器設計301
12．6．7測量配置302
12．7結論與展望303
參考文獻304
第13章化學與生命科學中的紫外熒光探測和光譜儀/306
摘要306
13．1簡介307
13．2熒光檢測和光譜儀的基礎和裝置308
13．3實驗室分析儀器用熒光313
13．4環境監測和生物分析用熒光化學傳感315
13．5用自發熒光探測微生物322
13．6皮膚病醫療診斷用熒光326
13．7總結與展望329
參考文獻329
第14章UVB誘導次生植物代謝物/339
摘要339
14．1次生植物代謝物的本質和形成340
14．2次生植物代謝物的營養生理學341
14．3水果蔬菜消費與慢性病的關係342
14．4植物-環境相互作用中的次生植物代謝物342
14．4．1植物的UVB感知和信令342
14．4．2UVB應激源及植物生長調節劑344
14．5結構分化UVB響應345
14．5．1類黃酮和其他酚類346
14．5．2硫代葡萄糖苷349
14．6定製的UVB-LED次生植物代謝物UVB誘導351
14．6．1研究現狀：UVB-LED用於植物照明351
14．6．2UVB-LED針對性植物屬性觸發的優勢352
14．6．3UVB-LED針對性植物屬性觸發實驗裝置353
14．7展望354
參考文獻354
第15章紫外LED固化應用/365
摘要365
15．1簡介366
15．2光源367
15．3化學機製368
15．4動力學371
15．5醫學應用372
15．6塗層、油墨和印刷375
15．7光固化快速成型377
15．8結論與展望378
參考文獻379
專業術語中英文對照錶383
單位換算錶400

前言/序言

譯者前言
半導體領域中，Ⅲ族氮化物的發展一直是過去幾十年，尤其是1993年以來至關重要的方嚮，特彆是高能量光電子器件的技術進步和應用開發，是半導體領域最引人關注的研究工作。2014年，隨著氮化物藍光LED發明人獲得諾貝爾奬，藍光LED的研發已經達到巔峰。
與此對應，技術難度更大的Ⅲ族氮化物基紫外光電器件正逐步嚮人們走來，這其中有紫外發光二極管、激光器以及相關的紫外探測器，其目標都是嚮更高Al組分、更短波長發展，以期實現AlGaN全係的高性能紫外光電器件。諾貝爾奬得主,日本名古屋大學教授天野浩就在藍光之後一直從事紫外發光器件方麵的研究，主要是波長為250～350nm的紫外LED，這種LED除瞭殺菌用途外，預計還可應用於印刷、醫療、科學等領域。使用AlGaN或InAlGaN製作紫外光源的主要優點是：
① 具有通過量子阱（QW）獲得高效率光發射的可能性；
② 具有在寬帶隙光譜區域內同時産生p型和n型半導體的可能性；
③ 氮化物硬度高並且器件壽命更長；
④ 材料中沒有砷、汞和鉛等有毒有害物質；
⑤ LED固有的優點，開關快速、能耗低、體積小等，不需要任何預熱時間，並且可以幾十納秒或更快的切換速度開啓和關閉。
根據光譜範圍，人們劃分瞭UVA（320～400nm），UVB（280～320nm）和UVC（200～280nm）的範圍。而LED的優勢使得研究人員預期瞭很多的應用領域：UVA光譜範圍內的重要應用包括油墨、塗料、樹脂、聚閤物和黏閤劑的UV固化，以及快速原型和輕型結構的3D打印。其他應用可以在感測領域找到，例如，增白劑或熒光增白劑，探測安全的功能，例如，身份證和紙幣以及醫療應用如血液氣體分析。UVB的關鍵應用是光療，特彆是牛皮癬和白癜風的治療，以及植物生長照明，例如靶嚮觸發次生植物代謝物。UVC的大規模應用是水淨化（例如末端係統）、廢水處理和迴收，以及醫療器械和食品的消毒。UVB和UVC-LED也有許多傳感應用，因為許多氣體（如SO2，NOx，NH3）和生物分子在這些光譜區顯示齣吸收帶，包括色氨酸、NADH、酪氨酸、DNA和RNA。UVC-LED也可以用於非視距通信，也是重力傳感器領域中基礎科學實驗的興趣所在，例如ESA/NASA激光乾涉儀空間天綫（LISA）任務中，用於實現電荷管理係統。
諸多優勢需要麵對的現實就是技術上尚未成熟，需要更多的研發和閤作，讓産學研、産業鏈上下遊能夠協同起來，把氮化物紫外發光器件推嚮如藍光LED般的高度。譯者所在研發中心已有10多年深紫外LED的開發曆程，深知其長産業鏈的難度以及技術開發積纍的重要性。本書主編Michael Kneissl教授和Jens Rass教授均就職於德國柏林工業大學固體物理研究所與萊布尼茨高頻技術學院，費迪南德-布朗學院。本書非常及時而且全麵地總結瞭目前氮化物紫外發光器件的最新進展，對於我們進一步研發和産業化是很好的藉鑒。希望本書的翻譯齣版能使更多的人瞭解這個領域，更多的人參與到這個領域，從而實現廣泛的技術交流和應用開發，能夠為Ⅲ族氮化物紫外光電器件産業提供幫助。
因本書原著中采用英製學非國際標準的計量單位，為瞭保持原書中數據的直觀性，翻譯時並未對單位進行改變，讀者使用數據時請用本書列齣的單位換算錶進行換算即可。
鑒於專業所限以及文學修養不足，書中疏漏難免，希望讀者海涵並能夠指正為盼。
這裏要感謝中國科學院半導體照明研發中心的全體同事在氮化物材料、器件、封裝、應用方麵的工作，尤其是他們在紫外器件方麵的工作，也讓譯者能夠更貼切地錶達齣原文的專業術語。謝海忠老師等對翻譯進行瞭校對，在此一並緻謝。
段瑞飛 王軍喜 李晉閩
中國科學院半導體照明研發中心
2018年於北京

前言
過去的二十年中，Ⅲ族氮化物基紫外發光二極管（UV-LED）及其應用經曆瞭飛速的發展。這可以通過許多方麵來說明。例如，在紫外LED領域發錶的文章數量正穩步上升，並在2014年時達到幾乎每年1000篇期刊文章（圖1）。然而，我們發現，這樣快速增長使得人們很難對所有研究進展有全麵的概述。很多時候，當半導體材料和光電子器件領域的研究人員描述紫外發光器件的應用時，會發現這些信息的係統性不夠。另一方麵，在各個領域應用紫外發光器件和探測器的開發人員和工程師往往不理解材料和器件開發的復雜性。本書的目的就是把所有這些進展置於同一背景下，提供Ⅲ族氮化物材料、紫外光電器件及其應用的最新技術的全麵綜述。目標讀者為研究人員和電氣工程師，材料科學、物理學研究生以及科學傢，將紫外發光器件和探測器應用到各領域的開發人員。本書提供瞭Ⅲ族氮化物材料的概述，包括其結構、光學和電學性質以及各種光電元器件，如UV-LED、紫外激光器和光電探測器的關鍵性能。
本書還提供瞭一些關鍵紫外發光器件和探測器應用的介紹，包括水淨化、光療、氣敏傳感、熒光激發、植物生長照明和UV固化。雖然每個章節都是獨立的，並可以不需其他章節的知識來理解，但對各章的組織也是有意選擇的。首先集中於基礎材料的屬性，隨後章節集中在紫外器件，而最後幾個章節描述紫外發光器件和探測器的關鍵應用。在第1章，Michael Kneissl介紹瞭Ⅲ族氮化物紫外發光器件的技術及其應用。第2章Matthias Bickermann迴顧瞭氮化鋁體襯底的生長和結構特性。第3章中，Eberhard Richter，Sylvia Hagedorn，Arne Knauer和Markus Weyers迴顧瞭使用藍寶石作為襯底用於UV範圍內氮化物基發光器件，尤其是氫化物氣相外延生長低缺陷密度的AlGaN模闆。第4章中，Hideki Hirayama討論瞭藍寶石襯底上低缺陷密度的AlN以及AlGaN層晶體生長技術，並給齣最先進的藍寶石DUV-LED性能特性。第5章中，Shigefusa F. Chichibu，Hideto Miyake，Kazumasa Hiramtsu和Akira Uedono深入討論瞭位錯和點缺陷對近帶邊發射AlGaN基DUV發光材料內量子效率的影響。第6章理解缺陷對UV-LED IQE的作用對於提高紫外LED效率和輸齣功率至關重要。器件方麵，UV-LED的光偏振和光提取等由Jens Rass和Neysha Lobo-Ploch給予綜述。AlN體襯底上UVC-LED的同質外延生長及其在水消毒中應用由James R.Grandusky，Rajul V. Randive，Therese C. Jordan和Leo J. Schowalter在第7章綜述。Noble M.Johnson，John E.Northrup和Thomas Wunderer在第8章討論瞭AlGaN量子阱激光器異質結構中的光學增益，並展示瞭AlGaN基紫外激光二極管發展現狀。而在第9章，日盲和可見光盲紫外光電探測器由Moritz Brendel，Enrico Pertzsch，Vera Abrosimova和Torsten Trenkler進行瞭迴顧。第10章中，Marlene A.Lange，Tim Kolbe和Martin Jekel檢查瞭UVC-LED的水消毒應用，同時第11章中，Uwe Wollina，Bernd Seme，Armin Scheibe和Emmanuel Gutmann描述瞭紫外發光器件在皮膚病光療中的應用。第12章中，Hartmut Ewald和Martin Degner迴顧瞭紫外發光器件在氣體傳感中的應用，而第13章Emmanuel Gutmann，Florian Erfurth，Anke Drewitz，

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