半导体晶圆检测关键连续波深紫外激光光源研制

深紫外激光是半导体领域的关键光源。基于非线性频率变换的全固态深紫外激光具有结构紧凑、价格低廉等优势,有广泛需求。受限于晶体非线性系数较线性介电常数小数个数量级,深紫外激光通常以具有高峰值(千瓦级)的脉冲形式获得,连续波深紫外激光效率较低,其实用化极其困难。高峰值的紫外激光通常会对半导体表面及内部产生损伤,限制了半导体晶圆缺陷等装备的应用和发展。

基于分离多量子垒电子阻挡层的AlGaN基深紫外发光二极管

通过分离多量子垒电子阻挡层(EBL)结构,实现了AlGaN基DUV-LED器件性能的提升。由仿真结果可得,与传统的块状EBL相比,采用分离多量子垒结构的EBL可以获得更高的空穴浓度和辐射复合速率。这得益于EBL中间的夹层形成了空穴加速区,使得空穴在加速区获得能量,从而提高了空穴注入效率。另外,多量子势垒结构还能够通过提高电子势垒有效抑制电子泄漏,从而大幅度提升器件性能。综上所述,多量子垒电子阻挡层的引入可以显著提升AlGaN基DUV-LED器件的性能。

深紫外飞秒脉冲准分子激光放大同步特性研究

为了获得大能量的深紫外超短脉冲,将深紫外飞秒种子光通过ArF准分子放大器进行放大。通过对种子光信号和准分子放大器的荧光信号进行测量,在不同环境下,针对种子光信号与放大器放电信号之间的延时对脉冲单程放大特性的影响进行了研究。研究结果表明,放大系统实现了种子光与准分子放大器的低抖动精确同步,空气和氮气环境下脉冲能量最高分别为197.2μJ和312.6μJ,且氮气环境下脉冲展宽较空气平均降低99.2 fs。相较于空气环境,氮气环境可有效降低深紫外超短脉冲的能量衰减与脉冲展宽,且同步抖动对放大特性影响较小。

有源区掺杂的AlGaN基深紫外激光二极管性能优化

为了改善深紫外激光二极管的性能,本文提出了有源区量子势垒n掺杂、p掺杂和n-p掺杂三种结构.利用Crosslight软件,对原始结构和有源区掺杂的三种结构进行仿真研究,比较四种结构的P-I特性曲线、V-I特性曲线、载流子浓度、辐射复合速率和能带图.仿真结果表明,有源区量子势垒n-p掺杂结构的性能更优,其阈值电压和阈值电流分别为4.40V和23.8mA;辐射复合速率达到1.64×10^(28)cm^(-3)/s;同一注入电流下电光转换效率达到42.1%,比原始结构增加了3.9%;改善了深紫外激光二极管的工作性能.

AlGaN基深紫外LED的可靠性研究及寿命预测

围绕AlGaN基深紫外LED的外延生长、工艺制备等因素对深紫外LED可靠性的影响以及加速寿命预测等方面开展了系统的研究。探索了量子垒(Quantum Barrier,简称QB)中Al组分、电子阻挡层(Electron Barrier Layer,简称EBL)中Al组分、同尺寸芯片不同台面面积等因素对深紫外LED可靠性的影响,确定QB结构Al组分为74%,EBL结构Al组分为75%,台面面积为P68。对优化后的深紫外LED设计了热、电应力老化试验,结合阿伦纽斯模型、逆幂律模型、指数最小二乘拟合对深紫外LED的寿命进行预测。实验结果表明,随着电、热应力的增加,深紫外LED可靠性随之降低,阿伦纽斯模型预测寿命为5027 h,逆幂律模型预测寿命为5400 h,正常工作电流40 mA下,深紫外LED实际寿命为5582 h,逆幂律模型预测精度较阿伦纽斯模型提升了6.7%。本研究将为提高深紫外LED的可靠性和产品应用普及提供坚实的理论基础。

基于深紫外消毒的隔离层流床的研制

目的为满足临床上对隔离层流床的需求,设计并制造一款基于深紫外消毒的隔离层流床。方法利用深紫外消毒代替传统消毒方法,床帘选用磁吸开关,床帘和床顶连接选用带亚克力背胶的环保PVC材质的连接条达到床体全封闭,从整体上部进气、底部排气,利用ANSYS流体仿真,检测床体内部的层流效果。结果本设计实现床体全封闭隔离的效果。同时流体仿真结果表明床内层流效果良好。结论基于深紫外消毒的隔离层流床既满足隔离要求,又实现了良好的层流效果,具有一定的临床应用价值和意义。

可拆卸式深紫外光纤真空馈通结构

空间引力波探测中需要利用深紫外光的光电效应中和检验质量上积累的电荷,实现电荷管理。真空馈通是引入深紫外光纤的关键组件,须在实现电荷管理的同时确保惯性传感器真空度。文章提出了一种可拆卸的真空光纤馈通结构,通过金属套管的阶梯沉孔结构设计实现与深紫外裸光纤密封耦合,结合内螺钉压紧柔性材料获得金属套管与法兰的可拆卸密封。介绍了真空光纤馈通结构的设计与制作流程,通过氦质谱和光功率计测量了整体结构的泄漏率以及光传输损耗。实验结果表明,所设计的馈通组件的真空漏率小于1.0×10^(-12)Pa·m^(3)·s^(-1),传输深紫外光时的光功率损耗低于0.5 dB,能够满足地面和太空实验对电荷管理的需求,保障引力波探测正常进行。

Al组分阶梯型渐变电子阻挡层深紫外LED性能研究

为减少电子泄漏改善发光性能,本文基于深紫外发光二极管(LED)提出了一种Al组分阶梯型渐变电子阻挡层(EBL)结构.通过数值研究,对比分析了不同EBL结构对深紫外LED发光性能的影响规律.结果表明,相较于传统EBL结构的深紫外LED(样品A),Al组分阶梯型渐变EBL结构的深紫外LED(样品B、样品C)最大内量子效率(IQE)分别提高了7.9%、14.2%,光输出功率(LOP)在200 mA下分别提升了73.3%、80.1%.这是因为Al组分阶梯型渐变EBL结构有效改善了EBL处极化效应引起的电场强度,进而减少了电子泄漏.

超晶格电子阻挡层周期数对AlGaN基深紫外发光二极管性能的影响

在AlGaN基深紫外发光二极管(DUV-LEDs)中设计了具有不同周期数的超晶格电子阻挡层(SL-EBL)结构,研究了SL-EBL周期数对DUV-LEDs发光效率、I-V特性、可靠性及有源区载流子复合机制的影响.研究结果表明,随着SL-EBL的周期数增加,DUV-LEDs的光输出功率(LOP)、外量子效率(EQE)和电光转换效率(WPE)均呈先上升后下降的趋势,同时泄漏电流减小,可靠性提升.当周期数为7时(厚度为28 nm),DUV-LEDs裸芯的EQE和WPE均达到最大值,在7.5 mA注入电流下分别为3.5%和3.2%.能带模拟结果证明了增加SL-EBL周期数可以有效提升电子势垒高度,而几乎不改变空穴势垒高度.然而,当SL-EBL超过一定厚度时,抑制了空穴向有源区的注入,导致EQE和WPE随SL-EBL周期数变化出现拐点.研究了SL-EBL周期数对DUV-LEDs载流子复合机制的影响,发现增加SL-EBL周期数可以有效地降低有源区内载流子非辐射复合.

四层插入层量子垒AlGaN深紫外LED研究

本文通过对不同量子垒结构的AlGaN深紫外LED进行数值研究,对比分析了量子垒结构与其发光性能之间的关联.结果表明,相较于传统量子垒结构的样品A,四层插入层量子垒结构的样品B和样品C,内量子效率峰值分别提升了27.04%和18.8%,光输出功率在200 mA下分别提升了31.04%和21.62%.这主要是因为四层插入层量子垒结构可有效增加有源区内量子垒的能带势垒高度,提升量子阱对载流子的束缚能力.

氮极性AlGaN基隧道结深紫外LED

针对AlGaN(Aluminum Gallium Nitride)基深紫外LED(Light Emitting Diode)发光效率低、工作偏压较大的问题,设计了一种带有n^(+)-GaN/Al_(0.4)Ga_(0.6)N/p^(+)-GaN隧道结的氮极性AlGaN基深紫外LED器件结构。该结构由n-Al_(0.65)Ga_(0.35)N电子提供层、 Al_(0.65)Ga_(0.35)N/Al_(0.5)Ga_(0.5)N多量子阱、组分渐变p-Al_(x)Ga_(1-x)N和n^(+)-GaN/Al_(0.4)Ga_(0.6)N/p^(+)-GaN隧道结构成。研究结果表明,相比于无隧道结的参考LED,隧道结LED具有更高的内量子效率和光输出功率,同时其具有更低的开启电压。隧道结LED光电特性的改善,归因于隧道结的引入提升了LED的空穴注入效率,提高了LED器件的电流扩展能力。通过模拟软件对半导体器件载流子输运、光电特性的模拟,有助于加深对半导体器件物理特性的理解。若在“半导体器件物理”学习课程加入对半导体器件模拟软件的学习,能有效提升学生对半导体器件物理知识的理解和探索。

利用倒双阶渐变阶梯形电子阻挡层减少深紫外激光二极管的电子泄露

本文提出了用双阶渐变阶梯和倒双阶渐变阶梯形电子阻挡层(EBL)以减少AlGaN基深紫外激光二极管(DUV-LDs)在p型区的电子泄露,并用Crosslight软件模拟仿真了双阶渐变阶梯和倒双阶渐变阶梯形EBL结构的光电特性,结果发现:具有倒双阶渐变阶梯形EBL的激光器拥有比双阶渐变阶梯形EBL激光器更高的斜率效率(SE),更高的输出功率,更低的阈值电流和阈值电压,更高的有效势垒高度和更低的电子泄露.这意味着前者拥有更强的抑制电子泄露的能力.在与矩形EBL结构对比中发现,所提出的结构还提高了有源区载流子浓度和辐射复合速率,进一步提高了DUV-LDs的光电性能.

AlGaN基深紫外LED电子阻挡层的智能优化设计

为了提高AlGaN基深紫外发光二极管(light emitting diode,LED)的内量子效率(internal quantum efficiency,IQE),本文采用了基于InAlGaN/AlGaN超晶格的电子阻挡层(electron blocking layer,EBL)结构,结果表明与传统的单层和双层电子阻挡层结构相比,超晶格EBL结构能够有效提高LED的内量子效率.在此基础上,本文提出了基于JAYA智能算法的LED结构优化方法,应用该方法以最大化内量子效率为目标,对InAlGaN/AlGaN超晶格EBL结构进行优化设计.结果表明,采用优化超晶格EBL结构后电子泄露和空穴注入问题都有所改善,在200 mA电流注入时深紫外LED的内量子效率比采用单层结构EBL提高了41.2%.

基于外延层转移的超薄垂直结构深紫外LED

AlGaN基深紫外(Deep ultraviolet,DUV)发光二极管(Light-emitting diode,LED)可用于杀菌、水体净化、光疗、固化、传感和非视距通信等场合,在生物、环境、工业、医疗和军事等领域具有广阔的应用前景。针对现阶段DUV LED外量子效率较低的问题,本文提出了一种超薄垂直结构的DUV LED方案。该方案基于蓝宝石-硅晶圆键合和物理减薄工艺实现了高质量DUV LED外延层从蓝宝石衬底到高导热硅基板的转移,并采用转移后亚微米厚度的超薄外延层制备出垂直结构的AlGaN DUV LED。器件的出光面在减薄工艺后无需特殊的化学处理便可实现纳米级的粗化,配合超薄外延层结构具备显著的失谐微腔效应,有助于破坏高阶波导模式,从而增加TM波的出光并提升器件的出光效率。测试表明,转移后的外延层厚度约为710 nm,制备出的DUV LED发光光谱峰值波长约为271 nm。该垂直结构DUV LED制备方案为实现高效DUV光源提供了可行路径。

高气密性的深紫外LED半无机封装技术

深紫外LED可通过物理方式破坏病毒和细菌的结构,从而获得高效消毒的效果。相比于工艺成熟的蓝光LED,如何提高深紫外LED的封装可靠性和出光率仍是关键问题。本文采用基底预热方式微固化封装胶,结合阵列点胶方式将石英玻璃固定在镀铜围坝,制备了半无机封装的深紫外LED。该器件的输出波长为275 nm,半峰宽约为11 nm。对比传统类透明材料封装的器件,石英封装的深紫外LED有更高的出光率。在真空红墨水和氦气漏率实验中,采用本文提出的半无机封装技术的深紫外LED器件表现出高密封性。此外,在加速老化测试中,该封装器件的光衰速率在20%以内。实验结果表明,对比有机封装的深紫外LED器件,在基底预热条件下,采用阵列点胶固定石英玻璃是现阶段提高深紫外LED可靠性的一种封装方法。

基于阱式阶梯电子阻挡层的深紫外激光二极管性能研究

为有效降低深紫外激光二极管(DUV-LD)在有源区的电子泄露,提出了一种阱式阶梯电子阻挡层(EBL)结构。利用Crosslight软件对矩形、阶梯形和阱式阶梯形三种不同的结构分别进行了仿真研究,详细对比分析了三种结构器件的能带图、辐射复合率、电子空穴浓度、P−I以及V−I特性等,结果表明阱式阶梯EBL对电子的泄露抑制效果最好,从而使得器件的光学和电学性能得到优化。

利用W形空穴阻挡层降低AlGaN基深紫外激光二极管的空穴泄露

本文设计了V形和W形的空穴阻挡层(HBL)结构,改善空穴在AlGaN基深紫外激光二极管(DUV-LD)n型区的泄露问题.使用Crosslight软件,将参考型矩形、V形和W形三种空穴阻挡层结构进行仿真研究,分别比较了三种不同结构的DUV-LD能带、n区空穴浓度、辐射复合率、电光转换效率、有源区载流子浓度等特性,结果表明,具有W形空穴阻挡层的DUV-LD拥有更高的空穴有效势垒高度、更高的辐射复合率、更低的空穴泄露以及更好的斜率效率,可以有效降低深紫外激光二极管在n型区的空穴泄露,提升其光学和电学性能.

利用山形空穴存储层结构对深紫外激光二极管的性能优化

为了有效提高深紫外激光二极管的空穴注入效率和减少电子泄露,优化其性能,设计出了在基础矩形空穴存储层结构上改进后的山形空穴存储层和倒山形空穴存储层.使用Crosslight软件模拟仿真倒山形和山形空穴存储层结构的电子浓度、电子电流密度、能带图以及P-I特性曲线.结果显示山形空穴存储层激光器的光学和电学性能优于矩形和倒山形激光器,因此山形空穴存储层激光器能有效地增加有源区空穴注入和减少电子泄露,提高有源区载流子浓度和辐射复合速率,实现了激光器优越的光电性能.

AlGaN基深紫外微型发光二极管的研究进展(特邀)

随着AlGaN基深紫外发光二极管(DUV LED)的发展,其不仅在杀菌消毒领域得到广泛应用,在日盲紫外光通信领域的应用也受到越来越多的关注。这主要是由于相比其他的紫外光源(如汞灯、激光),其具有功耗低、设计灵活且调制带宽高的优势。而DUV LED的带宽严重依赖于器件尺寸,器件尺寸越小,其带宽越高。但是,随着深紫外微型发光二极管(μLED)的尺寸减少,尽管其带宽得到提高,但是其光功率却急剧下降,这严重限制了深紫外μLED在光通信中的应用。文中主要总结了深紫外μLED作为日盲紫外光通信光源的研究现状和综合分析尺寸效应引起器件性能的变化及其机理;并分析出低的光提取效率和严重的自热效应是影响深紫外μLED光功率的两个主要因素。进而综述了各种提高深紫外μLED光提取效率和改善热学特性的方法。文中将为从事深紫外μLED研究的工作者提供一定的研究方向指导。

WO_(3)/β-Ga_(2)O_(3)异质结深紫外光电探测器的高温性能

得益于高达4.8 eV的禁带宽度,超宽禁带半导体氧化镓(Ga_(2)O_(3))在深紫外探测领域具有天然的优势.考虑到光电探测器在高温领域具有十分重要的用途,本文研究了一种WO_(3)/β-Ga_(2)O_(3)异质结深紫外光电探测器以及高温对其探测性能的影响.利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术制备了Ga_(2)O_(3)薄膜,并采用旋涂和磁控溅射技术分别制备了WO_(3)薄膜和Ti/Au欧姆电极.在室温(300 K)下,该探测器的光暗电流比为3.05×10^(6),响应度为2.7 mA/W,探测度为1.51×10^(13)Jones,外量子效率为1.32%.随着温度的升高,器件的暗电流增加、光电流减少,导致上述光电探测性能的下降.为了理清高温环境下探测性能退化的内在物理机制,研究了温度对光生载流子产生-复合过程的影响,继而阐明了高温对光电流增益机制的影响.研究发现,WO_(3)/β-Ga_(2)O_(3)异质结光电探测器能够在450 K的高温环境中实现稳定的自供电工作,表明全氧化物异质结探测器在恶劣探测环境中具有应用潜力.