紫外LED研究进展

 氮化物紫外LED的发光波长覆盖210~400 nm的紫外波段,可广泛应用于工业、环境、医疗和生化探测等领域。近年来紫外LED的技术水平发展迅速,器件性能不断提升。由于高Al组分AlGaN材料的固有特性,目前深紫外LED的外量子效率和功率效率仍有大量提升空间。综述了近年来AlGaN基紫外LED的研究进展,阐述了限制其性能的AlGaN外延质量、高Al组分AlGaN材料的掺杂效率、紫外LED量子结构、紫外LED光提取效率及可靠性等核心难题以及取得的重要研究进展。预计到2025年,深紫外LED的量产单芯片光输出功率可突破瓦级,功率效率有望提升至20%以上,寿命达到万小时级别。     

单根In掺杂的n-ZnO纳米线/p+-Si异质结的紫外电致发光

采用化学气相沉积的方法在In_0.1Ga_0.9N衬底上生长出In掺杂的n-ZnO纳米线阵列。电学输运测量得到单根n-ZnO纳米线的电阻率为0.001 Ω cm,比同样方法在GaN衬底上生长的ZnO纳米线低约20倍。这个结果表明来自于In_0.1Ga_0.9N衬底中的In原子在高温生长过程中可能被掺入ZnO纳米线。制备成功单根n-ZnO纳米线/p⁺-Si异质结构并研究了其电致发光特性。室温下电致发光光谱中可以看到一个窄的ZnO激子峰（约380 nm）和一个中心位于700 nm 的来自Si衬底表面自然氧化硅发光中心的发光峰。     

高Al组分AlGaN基紫外LED结构材料

采用金属有机物气相外延(MOVPE)技术在c面蓝宝石衬底上,引入脉冲原子层外延技术,制备了一系列表面平整度较高的高Al组分AlGaN基异质结构外延片.并采用电子束金属蒸镀技术及优化热退火方法,获得了良好的欧姆接触电极,进一步将外延片制备成LED管芯.通过对量子结构有源层量子阱混晶组分的设计和调整,掌握并实现了主波长260～330 nm紫外LED结构材料的制备.     

深紫外发光二极管研究进展及其在杀菌消毒中的应用

新型冠状病毒肺炎疫情引起了人们对消毒产品的重视.深紫外光照射是广泛应用的杀菌消毒手段.深紫外发光二极管(light-emitting diode,LED)是新一代的深紫外光源,其具有寿命长、多波长可选、不含汞、更环保、出光指向性强等诸多优点,正逐步进入市场.本文首先介绍深紫外LED的材料、外延结构和器件的特点及量子效率低等瓶颈问题;其次,简述深紫外杀毒的原理及高能量光子与细菌和病毒的遗传物质相互作用的机制,介绍深紫外光照下病原体动力学的过程模型;最后,讨论了深紫外LED作为消毒光源存在的问题和提升方向,并展望未来的研究重点和产业应用前景.     

半导体光电结构材料及其应用

半导体光电结构材料广泛应用于信息、照明、交通、能源、医疗、军事等领域.介绍了厦门大学近年来在半导体光电结构材料研究的进展,着重介绍高Al组分AlGaN、高In组分InGaN、GaN基半导体、Si基半导体、ZnO基半导体等结构材料研发中所取得的进展及其在大功率LED、紫外LED、激光器、探测器、太阳能电池等光电器件中的应用.     

双钙钛矿Cs2NaInF6:Mn4+荧光材料的发光性质与LED应用研究

高效红光材料开发是制备温暖照明光源的关键一环.利用氟化物较低的声子能量和较弱的电子声子耦合效应,设计了一种Mn⁴⁺激活的双钙钛矿Cs₂NaInF₆红光材料,对材料的晶格结构、元素组成、表面形貌、能带结构、格位占据情况、激发和发射光谱、量子效率和荧光寿命进行了系统的表征和研究.结果表明,材料在紫外和蓝光区的激发带较宽,在红光区的发射峰半峰宽较窄,且掺杂粒子数分数为0.27%的样品具有最强的荧光发射和最高的量子效率(69%),其荧光寿命为5.65 ms.基于“红-黄-蓝”三色组合的白光LED器件具有较高的显色指数(93.0)和较低的色温(2 914 K),表明了其在暖白光LED器件上的潜在应用价值.     

Cr掺杂Ca2Ga2GeO7宽带近红外光材料的制备及性能研究

采用高温固相法制备了一系列不同浓度Cr掺杂Ca₂Ga₂GeO₇近红外荧光材料,采用X射线粉末衍射结合Rietveld精修、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、光致发光光谱、激发光谱、拉曼光谱、漫反射光谱及时间分辨荧光光谱等技术对材料的结构、形貌、发光性质进行了详细研究。结果表明,Cr掺杂进入了Ca₂Ga₂GeO₇晶格,且以Cr³⁺与Cr⁴⁺混合价态形式存在;在460 nm激发下呈现宽带近红外发射,覆盖近红外Ⅰ区与Ⅱ区,且具有良好的发光热稳定性,在蓝光LED转换近红外光源领域具有潜在应用价值。     

w(CaO)/w(Al2O3)对钙铝基保护渣结晶性能的影响

利用热丝法测试技术,结合扫描电镜和能谱分析,研究了不同w(CaO)/w(Al₂O₃)条件下钙铝基保护渣的结晶性能.结果表明,较低w(CaO)/w(Al₂O₃)下,保护渣结晶物相为LiAlO₂和CaO·Al₂O₃.其析出由渣中的Li⁺离子和Ca²⁺离子分别对高聚合度铝氧四面体结构的电荷补偿所致.而且,Li⁺离子优先参与,LiAlO₂优先析出.较高w(CaO)/w(Al₂O₃)下,结晶物相转变为LiAlO₂和3CaO·Al₂O₃.其变化原因为,CaO相对质量分数提高,保护渣聚合度降低,Ca²⁺离子和低聚合度铝氧四面体结构单元Q²结合而形成3CaO·Al₂O₃并析出.随着w(CaO)/w(Al₂O₃)由1.13提高至1.82,钙铝基保护渣析晶能力先减弱然后增强.在w(CaO)/w(Al₂O₃)为1.50和1.82时分别具有最弱和最强的析晶能力.     

高灵敏度宽禁带半导体紫外探测器

以碳化硅(SiC)和Ⅲ族氮化物为代表的宽禁带半导体是近年来国内外重点研究和发展的新型第三代半导体材料,具有禁带宽度大、导热性能好、电子饱和漂移速度高以及化学稳定性优等特点,用于工作于紫外波段的光探测器件具有显著的材料性能优势.宽禁带半导体紫外探测器的主要应用包括:国防预警、环境监测、化工和生化反应的光谱分析和过程检测、以及天文研究等.本文主要回顾近年来南京大学在此方面开展的一些代表工作,所涉及到的典型器件有:具有极低暗电流的AlGaN基日盲MSM紫外探测器、高量子效率AlGaN基日盲雪崩光电探测器、以及SiC基可见光盲紫外单光子探测器.     

AlGaN基紫外激光器超晶格p型注入层研究

AlGaN基紫外激光器(LD)已被广泛应用于生物、化学等领域,但目前还存在着诸如自发极化效应强烈、载流子注入效率低等问题,因此对于该类型LD的研究和改良十分重要.本文参考相关文献实验样品结构,采用PICS3D仿真软件,对不同结构的AlGaN基电注入边发射紫外LD进行仿真计算,在实验样品基础上提出了具有更加优异光电性能的...     

能带调控提高GaN/InGaN多量子阱蓝光LED效率研究

In Ga N/Ga N多量子阱中由于存在极化效应导致能带弯曲,并由此导致电子和空穴在空间上被分离,因此严重降低了Ga N基LED的发光效率.针对此问题,我们设计了一种组分渐变的量子阱结构,利用组分与能带的关系对量子阱进行能带调控,使得量子阱中的能带弯曲减弱.该方法有效增加了LED的光功率和外量子效率.电致发光谱测试显示,在注入电流为35 A/cm2时,具有能带调控量子阱的LED其外量子效率比传统结构的LED提高了10.6%,发光功率提高了9.8%.能带模拟显示,能带调控后的量子阱中能带倾斜现象减弱,且空穴浓度明显增加,因此电子空穴波函数在空间中的重叠面积得到有效提高,最终提高了辐射复合效率.     

Li3N与Na3P的物理性质的对比研究

Li₃N可作为Li~+电池的固态电解质，Na₃P可作为Na~+电池的负极材料，特别是Li/Na以及N/P分别为同一族的元素，Li₃N和Na₃P的物理性质有很多典型的相同点和不同点，故对比两个材料的物理性质有助于推动Li~+/Na~+电池的研究.采用第一性原理研究了这两种材料的稳定结构、声子谱、弹性常数、电子结构、离子扩散势垒以及缺陷形成能等.计算表明：立方相的c-Li₃N最稳定，而六角相的β-Na₃P能量最低.结合c-(立方相),α-(六角相)和β-(六角相)的Li₃N与Na₃P的声子谱，确定c-Li₃N和c-Na₃P最稳定.弹性常数的计算表明所计算的6种结构都是有机械稳定性的.结果还表明，c-Li₃N和c-Na₃P都是间接带隙的半导体.电荷密度的计算体现了两种材料中不同的键合特点.Li~+/Na~+迁移势垒的计算给出了Li<...     

AlGaN基紫外LED外延结构及其光学性能研究

氮化铝(AlN)作为一种宽带隙半导体,具有优异的物理和化学性能,在紫外发光二极管(Light Emitting Diode, LED)领域有着广泛的应用。同样,发展较为成熟的氮化镓(GaN)在该领域也有着不可替代的作用。而高性能的器件需要有良好的外延层。AlGaN基紫外LED外延层的传统制备方法是采用金属有机化学气相沉积法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD),但是由于该方法中存在着强烈的预反应和Al原子本身迁移速率慢等原因,导致外延层中出现大量缺陷,使得紫外LED器件的性能降低。此外,由于不同材料以及材料与空气的折射率存在差异,使得光难以逃逸到外界,大部分光被局域在芯片内部,从而降低光提取效率以及光强。为了提高器件的光学性能,一种新的紫外LED结构被提出,文章采用时域有限差分模拟(Finite Difference Time Domain, FDTD)软件对该外延结构的光提取效率和出光强度进行了仿真。研究发现,与传统的LED结构相比,新型紫外LED结构的横磁波(TM)光模式和横电波(TE)光模式的光提取效率分别提高了19.1%...     

Cu_(5%)/Ce_(0.5+x)Zr_(0.5-x)Bi_yO_(2+λ)催化剂的制备及其性能研究

以Ce-Zr-Bi-O复合氧化物作为载体,研制Cu5%/Ce0.5+xZr0.5-xBiyO2+λ催化剂,考察铈、锆和铋含量及载体制备方法对催化剂性能的影响.实验结果表明,当载体采用共沉淀法制备,Ce、Zr和Bi的摩尔比为0.65︰0.35︰0.06,Cu负载量为5%时,所制得的Cu5%/Ce0.65Zr0.35Bi0.06O2+λ具有更好的催化活性,能使CO在200℃时达到完全转化,NO在350℃时达到完全转化.XRD和SEM的测试结果表明:Bi的加入能够形成稳定的立方相Ce-Zr-Bi固溶体,晶粒达到纳米级,同时不出现CuO在催化剂表面聚集的现象,因此Cu5%/Ce0.65Zr0.35Bi0.06O2+λ催化活性更高.     

A位非化学计量比对KNN-BSC陶瓷微结构及电学性能的影响

目的 研究A位非化学计量比对具有两相共存结构的KNN陶瓷结构和性能的影响,对于KNN基无铅压电陶瓷的设计具有重要的指导意义。方法 采用固相法制备0.985K_0.5+xNa_0.5+xNbO₃-0.015Bi(Sc_0.75Co_0.25)O₃(简称K_0.5+xN_0.5+xN-BSC,x=0,0.002 5,0.005,0.007 5,0.01,0.012 5,0.015,0.02 mol%)陶瓷。研究了K⁺,Na⁺的含量对K_0.5+xN_0.5+xN-BSC陶瓷密度、微观结构、相结构和电性能的影响。结果 K_0.5+xN_0.5+xN-BSC陶瓷的密度随烧结温度的升高先增大后减小,1 170℃为各组陶瓷的最佳烧结温度,且x=0.007 5时K_0.5+xN_0.5+x...     

衬底偏压对γ′-Fe4N薄膜磁性的影响

采用直流磁控溅射方法, 以Ar/N₂（N₂/(Ar+N₂)=10％）为放电气体, 在Si(100)单晶衬底上获得了γ′-Fe₄N薄膜样品. 利用X射线衍射(XRD)和振动样品磁强计(VSM)研究衬底偏压对γ′-Fe₄N薄膜样品的影响. 结果表明, 随着衬底负偏压的增大, γ′-Fe₄N薄膜样品的晶胞参数减小, Fe和N的化合效率与样品的致密度提高, 表面缺陷减少, 矫顽力降低.      

铁基超导体隧道结的构筑和约瑟夫森效应研究

作为超导体中最重要的物理特性之一,约瑟夫森效应不但是超导电子学应用的基础,同时也在基础研究中有着重要的价值.本文针对铁基超导的两个体系:KCa₂Fe₄As₄F₂和FeSe_0.5Te_0.5,开展了约瑟夫森效应研究.利用导电层-绝缘层-导电层交替堆叠的结构特点及其导致的强各向异性,对KCa₂Fe₄As₄F₂单晶c方向的电输运行为进行了探究.通过微纳加工等手段,成功降低了样品的尺寸和临界电流,从而大大减小了热效应对测量的影响,最终通过基于超导电子隧穿的A-B方程拟合临界电流随温度的变化行为获得了超导能隙方面的信息,并且观察到了临界电流随面内磁场周期性振荡的超导量子衍射行为,证明了该体系中本征约瑟夫森效应的存在.另外,利用机械剥离的方式制备了超薄FeSe_0.5Te_0.5单晶的约瑟夫森隧道结,并获得了其临界电流随温度和磁场的变化行为.分...     

氮化物深紫外LED研究新进展

基于三族氮化物(III-nitride)材料的紫外发光二极管(UV LED)在杀菌消毒、聚合物固化、生化探测、非视距通讯及特种照明等领域有着广阔的应用前景,近年来受到越来越多的关注和重视.在过去的十多年里,氮化物UV LED取得了长足的进步,发光波长400–210 nm之间的氮化物UV LED先后被研发出来,短于360 nm的深紫外LED(DUV LED)的外量子效率(EQE)最好结果已超过10%,很大程度上得益于核心Al Ga N材料制备技术的进展.通过提高Al Ga N外延材料及量子结构中的Al组分,可以实现更短波长的UV LED,但是源于Al(Ga)N材料的特性,随着Al组分的提高,高质量材料外延和实现有效掺杂面临越来越高的挑战.本文首先从材料外延和掺杂研究的角度出发,分别从UV LED的量子结构与效率、关键芯片工艺、光提取、可靠性与热管理等方面,详细阐述探讨了发光波长短于360 nm的DUV LED研究中面临的核心难点及近年来的一系列重要研究进展.     

SiOx(X≤2)基电致发光体系研究进展

近年来,SiOx(X≤2)基电致发光材料发展迅速。着重讨论了5种具有实用潜力Si基LED包括离子掺杂、Si-nc嵌SiO2、多孔硅、a-Si(C):H以及MOS结构,并对其电致发光机理以及存在的问题如量子效率低、稳定性差进行了分析,认为电致发光原子SiOx(X≤2)中发光中心和界面缺陷处载流子的辐射复合。在激子碰撞和电子空穴复合发光体系中,提高载流子的平衡注入能够显著提高量子效率。在对比SiOx(X≤2)基LED研究的基础上,对下一步发展提出了建议。     

具有复合最后一层势垒的AlGaN基深紫外发光二极管的制备及特性研究

本文研究了AlGaN基深紫外发光二极管（DUV-LED）,其由常规未掺杂的最后一层量子势垒（u-LQB）和p型掺Mg最后一层量子势垒（p-LQB）复合而成最后一层量子势垒（CLQB）。研究结果表明,通过插入p-LQB并形成具有精心优化的Mg掺杂水平的CLQB,可显著提高DUV-LED的光输出功率。基于此成果,使用优化的Mg掺入量成功制备了输出功率较高的DUV-LED,在40 mA的注入电流下,与未插入p-LQB的样品相比,DUV-LED的光输出功率增加了约30%。而且,电致发光和光致发光谱表征结果表明,DUV-LED光输出功率获得显著改善的主要原因在于电子泄漏的减少和CLQB的采用所引起的空穴注入效率的提高。