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

致謝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晶體的特性與歷史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

致謝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

致謝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硅摻雜及引起的陽離子空位形成對AlN模板上生長Al0.6Ga0.4N薄膜近帶邊發光的發光動力學影響113

5.6小結117

致謝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光學偏振與襯底方向的關繫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表面制備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的制造及其使用點水消毒繫統的應用前景/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的制造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 二次諧波產生187

8.7小結187

致謝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特征參數與現像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

致謝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靶向紫外光療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制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吸收光譜繫統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繫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定制的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化學機制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表383

單位換算表400

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向，特別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發明人獲得諾貝爾獎，藍光LED的研發已經達到。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向人們走來，這其中有紫外發光二極管、激光器以及相關的紫外探測器，其目標都是向更高Al組分、更短波長發展，以期實現AlGaN全繫的高性能紫外光電器件。諾貝爾獎得主,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面的研究，主要是波長為250～350nm的紫外LED，這種LED除了殺菌用途外，預計還可應用於印刷、醫療、科學等領域。使用AlGaN或InAlGaN制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產生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啟和關閉。根據光譜範圍，人們劃分了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了很多的應用領域：UVA光譜範圍內的重要應用包括油墨、塗料、樹脂、聚合物和黏合劑的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，特別是牛皮癬和白癜風的治療，以及植物生長照明，例如靶向觸發次生植物代謝物。UVC的大規模應用是水淨化（例如末端繫統）、廢水處理和回收，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出吸收帶，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激光干涉儀空間天線（LISA）任務中，用於實現電荷管理繫統。諸多優勢需要面對的現實就是技術上尚未成熟，需要更多的研發和合作，讓產學研、產業鏈上下遊能夠協同起來，把氮化物紫外發光器件推向如藍光LED般的高度。譯者所在研發中心已有10多年深紫外LED的開發歷程，深知其長產業鏈的難度以及技術開發積累的重要性。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面地總結了目前氮化物紫外發光器件的進展，對於我們進一步研發和產業化是很好的借鋻。希望本書的翻譯出版能使更多的人了解這個領域，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產業提供幫助。因本書原著中采用英制學非國際標準的計量單位，為了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出的單位換算表進行換算即可。鋻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。這裡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、應用方面的工作，尤其是他們在紫外器件方面的工作，也讓譯者能夠更貼切地表達出原文的專業術語。謝海忠老師等對翻譯進行了校對，在此一並致謝。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）及其應用經歷了飛速的發展。這可以通過許多方面來說明。例如，在紫外LED領域發表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面的概述。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，會發現這些信息的繫統性不夠。另一方面，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技術的全面綜述。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家，將紫外發光器件和探測器應用到各領域的開發人員。本書提供了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。本書還提供了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介紹了Ⅲ族氮化物紫外發光器件的技術及其應用。第2章Matthias Bickermann回顧了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回顧了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模板。第4章中，Hideki Hirayama討論了藍寶石襯底上低缺陷密度的AlN以及AlGaN層晶體生長技術，並給出的藍寶石DUV-LED性能特性。第5章中，Shigefusa F. Chichibu，Hideto Miyake，Kazumasa Hiramtsu和Akira Uedono深入討論了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效率和輸出功率至關重要。器件方面，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章討論了AlGaN量子阱激光器異質結構中的光學增益，並展示了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進行了回顧。第10章中，Marlene A.Lange，Tim Kolbe和Martin Jekel檢查了UVC-LED的水消毒應用，同時第11章中，Uwe Wollina，Bernd Seme，Armin Scheibe和Emmanuel Gutmann描述了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回顧了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，Armin Scheibe和Martina C.Meinke討論了化學和生命科學領域的紫外熒光檢測和光譜繫統應用。第14章，Monika Schreiner，Inga Mewis，Susanne Neugart，Rita Zrenner，Melanie Wiesner，Johannes Glaab和Marcel.A.K. Jansen綜述了UV LED的植物生長照明應用，特別是適用UVB光譜的次生植物代謝物誘導。後一章中，UV LED固化應用由Christian Dreyer和Franziska Mildner綜述。我們要感謝各章的所有作者及時且準備充分的貢獻。沒有他們的付出，辛勤工作和持之以恆，不可能會有這本書。我們也要特別感謝施普林格科學出版社的Claus Ascheron，他提供我們編輯這本書的機會並在此期間給予持續支持。Michael KneisslJens Rass德國柏林