基于铝镓氮深紫外光电技术的智能消毒装备研发与验证评价

目的:研制基于铝镓氮(AlGaN)深紫外光电技术的智能消毒装备,以实现消毒装备无汞、非接触、无残留、无污染和高效快速地完成物体表面消毒。方法:通过制作AlGaN高质量外延和全无机方式封装芯片,研发深紫外发光二极管(LED)和消毒模块。使用消毒模块、光学模组、电控模块结合人工智能(AI)技术研制智能消毒装备。结果:研制的智能高精度消毒机器人和手持消毒机等智能消毒装备以非接触、无残留和无污染的方式运行。输出可控C波段紫外线,输出中心波长275.1 nm、辐射强度18750μW/cm^(2)(标准工作距离)的紫外线。通过第三方机构对智能消毒装备进行测试,可实现在5 s内对新型冠状病毒等病原微生物灭活,灭活率为99.99%。研制的智能消毒装备为北京冬奥会、首都机场和医院等场所提供了可靠的智能消毒保障。结论:基于AlGaN深紫外光电技术的智能消毒装备无汞,以非接触、无残留、无污染和高效的方式,有效杀灭物体表面的病原微生物,能够完成各种环境的物体表面消毒。

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。

蓝宝石衬底上生长的铝镓氮外延膜的应变分析

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法制备了不同Al组分含量的2μm厚Al_xGa_(1-x)N外延膜,通过透射电镜定性分析了外延膜中的位错和缺陷,通过高分辨X射线衍射试验对Al_xGa_(1-x)N外延膜进行ω/2θ扫描,结果显示外延膜为六方晶系纤锌矿结构,通过对对称面和非对称面的晶面间距进行修正精确计算了外延膜晶格常数,并由此对应变进行定量分析,四个不同Al组分的Al_xGa_(1-x)N外延膜样品的四方畸变值随Al含量的增大而逐渐减小,并且均小于零,在水平方向上均处于压应变状态。

分光光度法测量铝镓氮外延片中的铝含量

采用熔融的氢氧化钠刻蚀在蓝宝石衬底上生长的铝镓氮外延层，用深紫外光致发光光谱仪测量铝镓氮的荧光光谱来控制铝镓氮层的刻蚀深度，用盐酸将含铝氢氧化钠中和并调节至酸性（pH1-2）后转移至250mL的容量瓶内定容，用铬天青S络合显色，用分光光度计在546nm处测定吸光度来确定铝的浓度。该法测量结果的相对标准偏差为1．1％（n=5），加铝标准溶液做回收试验，回收率为96％～103％。该法可用于铝镓氮外延片中铝含量的准确测量。

铝镓氮薄膜双光子吸收效应

基于飞秒激发Z扫描实验技术,研究了氮化镓薄膜和不同铝掺杂含量的掺铝氮化镓(以下简称铝镓氮)薄膜的超快非线性光学响应特性。在开孔Z-scan测试中,纯Ga N晶体薄膜表现出典型的双光子吸收特性,双光子吸收系数为3.5 cm/GW,且随着激发光强的增大而逐渐减小。随后测试了不同铝掺杂含量的Al_xGa_(1-x)N薄膜的非线性吸收系数。结果表明,随着铝掺杂摩尔分数的提高(0,19%,32%,42%),非线性吸收系数逐渐减小(18,10,6,5.6 cm/GW)。结合半导体非线性吸收理论分析,Al_xGa_(1-x)N薄膜材料的非线性过程主要是双光子吸收主导非线性响应物理过程。实验结果与半导体双光子吸收过程Sheik-Bahae理论符合得很好。

热退火对氮铝镓MSM结构紫外光电探测器性能的影响

宽带隙半导体合金材料AlxGa1-xN成为紫外光电探测器的优选材料,本文通过金属有机气相外延(MOCVD)的方法在Al2O3衬底上制备出Al0.25Ga0.75N合金薄膜,并通过紫外曝光和湿法腐蚀的方法,制备出平面对称结构的金属-半导体-金属(MSM)叉指电极结构,通过器件在氮气气氛下不同温度的退火,使得器件的响应度得到很大的提高,在1V偏压下达到3.25A/W,同时对器件的其它参数进行了深入的分析。

梯度铝镓氮缓冲层对氮化镓外延层性质的影响

采用金属有机物化学气相沉积系统在硅面碳化硅衬底的(0001)面上生长氮化铝缓冲层,并通过改变3层梯度铝镓氮(Al_xGa_(1-x)N:x=0.8,0.5,0.2)缓冲层的生长温度和氨气流量,制备出了高质量的氮化镓外延层。分别采用X射线衍射、原子力显微镜、光致发光谱和拉曼光谱对氮化镓外延层进行表征。实验结果表明,随着氮化镓外延层中张应力的降低,样品的晶体质量、表面形貌和光学质量都有显著提高。在最优的梯度铝镓氮缓冲层的生长条件下,氮化镓外延层中的应力值最小,氮化镓(0002)和(1012)面的摇摆曲线半峰宽分别为191 arcsec和243 arcsec,薄膜螺位错密度和刃位错密度分别为7×10~7cm^(-2)和3.1×108cm^(-2),样品表面粗糙度为0.381 nm。这说明梯度铝镓氮缓冲层可以改变氮化镓外延层的应力状态,显著提高氮化镓外延层的晶体质量。

肖特基型氮铝镓紫外光电探测器

通过采用插入缓冲层的办法,利用金属有机气相外延(MOCVD)得到高质量的AlGaN薄膜,克服了AlGaN薄膜容易产生裂纹的缺点.在此基础上,我们通过采用传统的紫外光刻和湿法刻蚀的方法,制备得到了金属-半导体-金属(MSM)结构的Al0.25Ga0.75N紫外光电探测器.结果表明,在1 V偏压下,器件的暗电流仅为20 pA,如此低的暗电流主要是由于器件中存在一定量的缺陷而导致电阻过大的原因造成的.器件的最高峰值出现在308 nm,大小为0.07 A/W,器件的上升时间为10 ns,下降时间为190 ns.

铝镓氮光阴极像增强器极限分辨力影响因素研究

针对铝镓氮光阴极像增强器极限分辨力远小于同结构类型砷化镓光阴极像增强器极限分辨力的问题,基于紫外光激发荧光粉发光的特性,搭建了铝镓氮光阴极的紫外光传输特性评测装置,对铝镓氮光阴极紫外光传输特性进行了测量,并依据非衍射光学系统传函方程推算了铝镓氮光阴极的紫外光学传递函数;依据近贴聚焦系统调制传递函数方程,并基于制备的铝镓氮光阴极像增强器的分辨力测试数据,推导了铝镓氮光阴极像增强器的前近贴聚焦系统调制传递函数方程;通过对比研究铝镓氮光阴极的紫外光调制传递函数方程和铝镓氮光阴极像增强管的前近贴聚焦系统调制传递函数方程对系统传函影响的比例权重,提出紫外光在铝镓氮光阴极内部传输时紫外光散射,以及紫外光激发载流子在铝镓氮激活层中的散射和发射电子散射均是造成铝镓氮光阴极像增强管极限分辨力低的因素,且紫外光激发载流子在铝镓氮激活层中的散射和发射电子散射是最主要的影响因素。

铝镓氮光电阴极日盲紫外像增强器辐射增益研究

铝镓氮光电阴极日盲紫外像增强器以日盲特性优、探测灵敏度高等特点,已被广泛应用于日盲紫外探测系统中,辐射增益是表征其增强功能的重要指标之一。本文针对铝镓氮光电阴极日盲紫外像增强器辐射增益数学模型及测试方法缺乏问题,采用在微光像增强器亮度增益数学模型基础上,对光电阴极引入入射辐射照度,对荧光屏引入视见函数这两个量值,推导出了有效直径为Ф18 mm的双近贴聚焦铝镓氮光电阴极紫外像增强器辐射增益(λ=254 nm)的数学模型,采用实验室标准设备对数学模型中光电阴极量子效率、微通道板电流增益、荧光屏发光效率等参数进行了有效测量,将诸参数的测量值带入了辐射增益数学表达式中,计算出了10支铝镓氮光电阴极日盲紫外像增强器样品的辐射增益理论值;同时改造完成了一套紫外像增强器辐射增益测试系统,利用该系统测试了上述10支样品的辐射增益,并对数学理论值与实际测量值进行比较,两者偏差在10%之内,验证了数学模型和测试系统的正确性。本文研究的辐射增益数学模型可指导高辐射增益紫外像增强器技术相关研究。

氮空位在纳米GaN颗粒和InGaN AlGaN双异质结中的聚集(英文)

直流放电等离子法制备纳米GaN颗粒中的氮缺乏可导致空位形成。在电子显微观察的电子辐照条件下 ,这些N 空位将进一步凝聚 ,形成一个a =2 2 0 9nm ,b =3 82 6nm ,c=1 0 3 7nm ,α =β =γ =90°的调制结构。随着电子辐照剂量增加 ,纳米颗粒中心将出现空洞 ,同时使该区的金属镓离子迁移到颗粒的表面。电子显微分析及分子力学理论计算表明 ,这种新的调制结构系空位的有序排列所致。在此基础上 ,进一步研究了InGaN AlGaN的双异质结薄膜结构中直径约为 5 0nm的空洞存在与发光失效的关系 ,讨论了N

基于湿法腐蚀凹槽阳极的低漏电高耐压AlGaN/GaN肖特基二极管

得益于铝镓氮/氮化镓异质结材料较大的禁带宽度、较高的击穿场强以及异质界面存在的高面密度及高迁移率的二维电子气,基于该异质结材料的器件在高压大功率及微波射频方面具有良好的应用前景,尤其是随着大尺寸硅基氮化镓材料外延技术的逐渐成熟,低成本的氮化镓器件在消费电子方面也展现出极大的优势.为了提高铝镓氮/氮化镓肖特基二极管的整流效率,通常要求器件具有较小的开启电压、较低的反向漏电和较高的击穿电压,采用低功函数金属阳极结构能有效降低器件开启电压,但较低的阳极势垒高度使器件易受界面缺陷的影响,导致器件反向漏电增大.本文采用一种新型的基于热氧氧化及氢氧化钾腐蚀的低损伤阳极凹槽制备技术,解决了常规干法刻蚀引入的表面等离子体损伤难题,使凹槽表面粗糙度由0.57 nm降低至0.23 nm,器件阳极反向偏置为-1 kV时的漏电流密度由1.5×10^(-6) A/mm降低至2.6×10^(-7) A/mm,另外,由于热KOH溶液对热氧氧化后的AlGaN势垒层及GaN沟道层具有良好的腐蚀选择比,因此避免了干法刻蚀腔体中由于等离子体分布不均匀导致的边缘刻蚀尖峰问题,使器件反向耐压由-1.28 kV提升至-1.73 kV,器件性能得到极大提升.

氮化镓基高电子迁移率晶体管栅电流输运机制研究

制备了与AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管栅极结构与性能等效的圆形肖特基二极管结构,测量了器件的变温电流-电压特性,研究其在正向与反向偏压条件下的载流子输运过程。结果表明:(1)正向低偏压线形区的电流主要为缺陷辅助隧穿电流,而体电阻效应显著的高偏压区,经典热发射机制占主导地位;(2)AlGaN势垒层中的极化电场对器件的反向漏电流起重要作用,载流子的主要输运过程为Frenkel-Poole发射机制。

Ⅲ族氮化物紫外探测器及其研究进展

文中简单介绍了紫外波段光电探测的基本特点,包括各波段特点、大气吸收等,并粗略介绍了紫外探测的部分应用。然后对Ⅲ族氮化物宽禁带紫外探测器材料体系的研究进展进行了回顾,重点介绍了包括P型材料的制备、金属半导体接触、材料的蚀刻等方面;最后,对国内外近期的紫外探测器特别是紫外焦平面器件的研究进展作了一些评述。

新型的AlGaN/PZT材料紫外/红外双波段探测器

提出了一种可以同时同位置探测紫外和红外信号的新型探测结构,分析了该结构的合理性,并对器件工艺进行了设计、分析和验证,制备出了AlGaN/PZT原型器件。该结构以AlGaN多层材料和PZT复合薄膜为基础,利用AlGaN宽禁带半导体的本征吸收和铁电薄膜的热电转化功能,实现对紫外和红外信号的电学响应。对该结构中各膜层的透射和吸收进行了测试和分析,在小于6μm的光谱测试范围内,宝石衬底的透过率约为80%,而AlGaN多层外延结构和多孔SiO2隔离层都对红外光吸收很少。结果证明:该结构可以实现不同吸收层对入射光束不同波段的吸收。以AlGaN器件工艺和溶胶-凝胶法制备PZT膜层为基础,研究了器件工艺,并最终研制出了首个AlGaN/PZT探测器件。

蓝宝石衬底上单晶InAlGaN外延膜的RF-MBE生长

利用射频等离子体辅助分子束外延技术在蓝宝石衬底上外延了晶体质量较好的单晶InAlGaN薄膜.在生长InAlGaN外延层时,获得了外延膜的二维生长.卢瑟福背散射测量结果表明,InAlGaN外延层中In,Al和Ga的组分分别为2%,22%和76%,并且元素的深度分布比较均匀.InAlGaN(0002)三晶X射线衍射摇摆曲线的半高宽为4·8′.通过原子力显微镜观察外延膜表面存在小山丘状的突起和一些小坑,测量得到外延膜表面的均方根粗糙度为2·2nm.利用光电导谱测量InAlGaN的带隙为3·76eV.

含有Al组分阶变AlGaN过渡层的Si基AlGaN／GaNHEMT

采用一个AlN缓冲层和两个Al组分阶变的AlGaN过渡层作为中间层,在76.2mm Si衬底上外延生长出1.7μm厚无裂纹AlGaN/GaN异质结材料,利用原子力显微镜、X射线衍射、Hall效应测量和CV测量等手段对材料的结构特性和电学性能进行了表征。材料表面平整光滑,晶体质量和电学性能良好,2DEG面密度为1.12×1013cm-2,迁移率为1 208cm2/(V.s)。由该材料研制的栅长为1μm的AlGaN/GaN HEMT器件,电流增益截止频率fT达到10.4GHz,这些结果表明组分阶变AlGaN过渡层技术可用于实现高性能Si基GaN HEMT。

0.5μm AlGaN/GaN HEMT及其应用

报道了采用I线步进光刻实现的76.2 mm SiC衬底0.5μm GaN HEMT。器件正面工艺光刻均采用了I线步进光刻来实现,背面用通孔接地。栅脚介质刻蚀采用一种优化的低损伤RIE刻蚀方法实现了60°左右的侧壁倾斜角,降低了栅脚附近峰值电场强度,提高器件性能和可靠性。研制的GaN HEMT器件fT为15 GHz,fmax为24 GHz,6 GHz下的MSG为17 dB,满足C波段及以下频段应用要求。对1.25 mm栅宽GaN HEMT在2 GHz、28 V工作电压下的负载牵引,最佳功率匹配的功率附加效率66%,对应输出功率以及功率增益分别为38.0 dBm和17.3 dB。对大栅宽GaN HEMT器件的版图进行了优化以利于散热,并将其应用于输出功率60 W的L波段功率模块末级开发。

线性化AlGaN/GaN HEMT费米能级与二维电子气密度关系的解析模型

通过化简复杂非线性的费米能级EF与二维电子气密度ns关系,并利用化简后函数的一阶泰勒多项式建立了线性化AlGaN/GaN HEMT中EF与ns关系的解析模型。该模型可以根据二维电子气密度ns的范围及温度计算EF与ns非线性关系之线性近似的参数斜率a和截距EF0。计算结果表明,所述模型的线性EF-ns计算结果对非线性精确解近似效果较好,且基于该模型计算的ns-VG曲线与实验数据符合良好。

AlGaN/GaN界面特性研究进展

GaN是一种宽禁带半导体材料,由于具有优越的热稳定性和化学稳定性,使这种材料和与其相关的器件可以工作在高温和恶劣的环境中,并可用于大功率微波器件。本文主要介绍AlGaN/GaN有关界面特性,该特性反映了纵向纳米尺度下的能带特性;从AlGaN/GaNHEMT设计出发,给出了材料性质和结构参数对AlGaN/GaN异质结二维电子气特性影响的研究结果;讨论了AlGaN/GaN界面2DEG载流子的输运性质;分析了材料缺陷对AlGaN/GaN界面2DEG性质的影响;指出了有待研究的问题和方向。