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1. 本书系统性地总结了全球紫外光电子器件的研究进展。详细介绍了用于紫外光电子的氮化物衬底、外延、材料物理以及紫外发光二极管、激光器以及紫外探测器的制备。
2.由德国柏林工业大学固体物理研究所的Michael Kneissl教授和Jens Rass教授召集德国、美国、日本、爱尔兰等近50名全球知名专家共同编写。
3. 除基础理论外，本书精心选择紫外光电子的重点应用领域加以详述：1UVA光谱范围内的重要应用包括UV固化和紫外感测；2UV-B的关键应用是光疗，特别是牛皮癣和白癜风的治疗，以及植物生长照明例如靶向触发次生植物代谢物；3UVC的大规模应用是水净化例如使用端系统，废水处理和回收，以及医疗器械和食品的消毒。
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| 內容簡介： |
本书全面介绍了基于Ⅲ族氮化物的紫外LED、激光器和探测器的*技术，涵盖不同的衬底及外延方法，InAlGaN材料的光学、电学和结构特性以及各种光电子器件，如UV-LED、紫外激光器和紫外日盲探测器。此外，综述了紫外发光器件和探测的一些关键应用领域，包括水净化、光疗、气敏、荧光激发、植物生长照明和UV固化。
本书含有大量翔实的图表和参考文献，可供读者进一步了解和认识氮化物紫外光电器件及其应用。本书由德国、美国、日本、爱尔兰等国的知名专家共同执笔，各章的作者都在相关领域有着丰富的经验，其对技术发展的独到见解，能够开拓读者思路，为国内氮化物紫外光电子器件的发展提供借鉴和参考。
本书可供电气工程、材料科学、物理学研究生层次的学生、研究人员和科学家，以及将紫外发光器件和探测器用到各种领域的开发人员参考。
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| 關於作者： |
段瑞飞，中国科学院半导体研究所博士，北京中科优唯科技有限公司副总经理，氮化物半导体物理、材料、器件以及应用十多年研究经验，致力于氮化物深紫外LED的产业化。
王军喜，研究员，博导，中国科学半导体照明研发中心副主任，带领团队在国内首先制备出深紫外LED专用设备，开拓性实现国内300nm以下毫瓦级LED器件，填补了国内在该领域的空白。
李晋闽，原中国科学院半导体研究所所长，科技部“半导体照明联合创新国家重点实验室”主任，“国家半导体照明研发及产业联盟”研发主席兼“联盟标准化委员会”主任。半导体照明外延、芯片及应用集成技术团队的发起人和领导者。
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| 目錄：
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第1章氮化物紫外光电子器件技术及应用概述001
摘要001
1.1背景002
1.2UV发光器件及其应用003
1.3UV-LED的最新技术和未来挑战004
1.4UV-LED的主要参数和器件性能007
1.5缺陷对UV-LED IQE的作用008
1.6UV-LED的电注入效率和工作电压010
1.7UV-LED的光提取011
1.8UV-LED的热管理与退化012
1.9展望013
1.10小结014
致谢015
参考文献015
第2章AlN体衬底的生长与性能025
摘要025
2.1AlN晶体的特性与历史026
2.2PVT法生长AlN体单晶：理论027
2.3PVT法生长AlN体单晶：技术029
2.4籽晶生长与晶体长大031
2.5PVT生长AlN体单晶的结构缺陷033
2.6AlN衬底的杂质及相应性质034
2.7结论与展望037
致谢038
参考文献038
第3章蓝宝石衬底上氮化物UV发光器件用AlGaN层气相外延044
摘要044
3.1简介045
3.2MOVPE生长AlGaN缓冲层046
3.3减少MOVPE生长AlGaN层TDD的技术048
3.4HVPE生长AlGaN层050
3.4.1HVPE技术基础050
3.4.2衬底的选择053
3.4.3HVPE选择生长AlGaN层结果054
3.5小结062
致谢063
参考文献063
第4章AlNAlGaN生长技术和高效DUV-LED开发067
摘要067
4.1简介068
4.2DUV-LED研究背景068
4.3蓝宝石衬底上高质量AlN的生长技术073
4.4内量子效率IQE的显著提高076
4.5222～351nm AlGaN和InAlGaN DUV-LED080
4.6电注入效率EIE通过MQB的增加086
4.7未来高光提取效率LEE的LED设计092
4.8小结098
参考文献098
第5章位错和点缺陷对近带边发射AlGaN基DUV发光材料内量子效率的影响101
摘要101
5.1简介103
5.2实验细节104
5.3杂质和点缺陷对AlN近带边发光动力学的影响107
5.4AlxGa1-xN薄膜的近带边有效辐射寿命112
5.5硅掺杂及引起的阳离子空位形成对AlN模板上生长Al0.6Ga0.4N薄膜近带边发光的发光动力学影响113
5.6小结117
致谢118
参考文献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影响AlGaN层光偏振开关的因素127
6.2.2光学偏振与衬底方向的关系130
6.2.3光学偏振对光提取效率的影响132
6.3改善光提取的概念134
6.3.1接触材料与设计134
6.3.2表面制备138
6.3.3封装144
参考文献145
第7章半导体AlN衬底上高性能UVC-LED的制造及其使用点水消毒系统的应用前景151
摘要151
7.1简介153
7.1.1UVC光源类型153
7.1.2什么是UVC光？153
7.1.3紫外杀菌如何工作？155
7.2AlN衬底上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效应162
7.3.2设计灵活性164
7.3.3流动单元建模165
7.3.4流动分析案例165
7.3.5UVC光的使用168
参考文献169
第8章AlGaN基紫外激光二极管171
摘要171
8.1简介172
8.2AlN体材上的最高材料质量生长174
8.2.1AlN体衬底174
8.2.2同质外延AlN174
8.2.3AlGaN激光器异质结构175
8.2.4多量子阱有源区176
8.3宽带隙AlGaN材料的大电流能力177
8.4大电流水平下的高注入效率180
8.5光泵浦UV激光器183
8.6紧凑深紫外Ⅲ-N激光器的其他概念186
8.6.1电子束泵浦激光器186
8.6.2InGaN基VECSEL+二次谐波产生187
8.7小结187
致谢188
参考文献188
第9章日盲和可见光盲AlGaN探测器192
摘要192
9.1简介193
9.2光电探测器基础195
9.2.1特征参数与现象195
9.2.2各种类型的半导体光电探测器202
9.3Ⅲ族氮化物用于固态UV光电检测211
9.3.1AlGaN基光电导体213
9.3.2AlGaN基MSM光电探测器213
9.3.3AlGaN基肖特基势垒光电二极管214
9.3.4AlGaN基PIN光电二极管215
9.3.5AlGaN基雪崩光电探测器217
9.3.6AlGaN基光阴极219
9.3.7高度集成的Ⅲ氮族器件220
9.4宽禁带光电探测器现状221
9.5小结223
参考文献224
第10章紫外LED水消毒应用234
摘要234
10.1简介235
10.2紫外消毒的基本原则235
10.2.1影响紫外能流的因素237
10.2.2紫外反应器性能的建模与验证239
10.3案例分析240
10.3.1测试紫外LED的实验设置提案241
10.3.2测试条件243
10.3.3使用紫外LED测试的结果246
10.4紫外LED水消毒应用潜力251
致谢252
参考文献252
第11章紫外发光器件皮肤病光疗应用256
摘要256
11.1简介257
11.2紫外光疗的光源257
11.2.1自然日光258
11.2.2气体放电灯259
11.2.3激光器261
11.2.4UV-LED261
11.3皮肤紫外光疗的变化262
11.3.1补骨脂素加UVAPUVA治疗262
11.3.2宽谱UVBBB-UVB治疗263
11.3.3窄谱UVBNB-UVB治疗264
11.3.4UVA-1治疗265
11.3.5靶向紫外光疗265
11.3.6体外光化学治疗ECP266
11.4主要皮肤适应证的作用机制267
11.4.1牛皮癣268
11.4.2特应性皮炎268
11.4.3白癜风269
11.4.4皮肤T细胞淋巴瘤269
11.4.5扁平藓和斑秃269
11.4.6全身性硬化症和硬斑病270
11.4.7移植体抗宿主病270
11.4.8多形性日光疹270
11.5采用新型UV发光器件的临床研究271
11.5.1使用无极准分子灯的研究271
11.5.2使用紫外LED的研究272
11.6总结与展望273
参考文献273
第12章紫外发光器件气体传感应用281
摘要281
12.1简介282
12.2吸收光谱284
12.3吸收光谱系统288
12.4紫外光谱仪光源291
12.5光谱仪用LED的光学和电学性质295
12.6UV-LED吸收光谱仪的应用298
12.6.1臭氧传感器299
12.6.2臭氧传感器设计299
12.6.3测量配置300
12.6.4结果300
12.6.5SO2和NO2传感器301
12.6.6SO2NO2气体排放传感器设计301
12.6.7测量配置302
12.7结论与展望303
参考文献304
第13章化学与生命科学中的紫外荧光探测和光谱仪306
摘要306
13.1简介307
13.2荧光检测和光谱仪的基础和装置308
13.3实验室分析仪器用荧光313
13.4环境监测和生物分析用荧光化学传感315
13.5用自发荧光探测微生物322
13.6皮肤病医疗诊断用荧光326
13.7总结与展望329
参考文献329
第14章UVB诱导次生植物代谢物339
摘要339
14.1次生植物代谢物的本质和形成340
14.2次生植物代谢物的营养生理学341
14.3水果蔬菜消费与慢性病的关系342
14.4植物-环境相互作用中的次生植物代谢物342
14.4.1植物的UVB感知和信令342
14.4.2UVB应激源及植物生长调节剂344
14.5结构分化UVB响应345
14.5.1类黄酮和其他酚类346
14.5.2硫代葡萄糖苷349
14.6定制的UVB-LED次生植物代谢物UVB诱导351
14.6.1研究现状：UVB-LED用于植物照明351
14.6.2UVB-LED针对性植物属性触发的优势352
14.6.3UVB-LED针对性植物属性触发实验装置353
14.7展望354
参考文献354
第15章紫外LED固化应用365
摘要365
15.1简介366
15.2光源367
15.3化学机制368
15.4动力学371
15.5医学应用372
15.6涂层、油墨和印刷375
15.7光固化快速成型377
15.8结论与展望378
参考文献379
专业术语中英文对照表383
单位换算表400
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译者前言
半导体领域中，Ⅲ族氮化物的发展一直是过去几十年，尤其是1993年以来至关重要的方向，特别是高能量光电子器件的技术进步和应用开发，是半导体领域最引人关注的研究工作。2014年，随着氮化物蓝光LED发明人获得诺贝尔奖，蓝光LED的研发已经达到巅峰。
与此对应，技术难度更大的Ⅲ族氮化物基紫外光电器件正逐步向人们走来，这其中有紫外发光二极管、激光器以及相关的紫外探测器，其目标都是向更高Al组分、更短波长发展，以期实现AlGaN全系的高性能紫外光电器件。诺贝尔奖得主,日本名古屋大学教授天野浩就在蓝光之后一直从事紫外发光器件方面的研究，主要是波长为250～350nm的紫外LED，这种LED除了杀菌用途外，预计还可应用于印刷、医疗、科学等领域。使用AlGaN或InAlGaN制作紫外光源的主要优点是：
① 具有通过量子阱（QW）获得高效率光发射的可能性；
② 具有在宽带隙光谱区域内同时产生p型和n型半导体的可能性；
③ 氮化物硬度高并且器件寿命更长；
④ 材料中没有砷、汞和铅等有毒有害物质；
⑤ LED固有的优点，开关快速、能耗低、体积小等，不需要任何预热时间，并且可以几十纳秒或更快的切换速度开启和关闭。
根据光谱范围，人们划分了UVA（320～400nm），UVB（280～320nm）和UVC（200～280nm）的范围。而LED的优势使得研究人员预期了很多的应用领域：UVA光谱范围内的重要应用包括油墨、涂料、树脂、聚合物和黏合剂的UV固化，以及快速原型和轻型结构的3D打印。其他应用可以在感测领域找到，例如，增白剂或荧光增白剂，探测安全的功能，例如，身份证和纸币以及医疗应用如血液气体分析。UVB的关键应用是光疗，特别是牛皮癣和白癜风的治疗，以及植物生长照明，例如靶向触发次生植物代谢物。UVC的大规模应用是水净化（例如末端系统）、废水处理和回收，以及医疗器械和食品的消毒。UVB和UVC-LED也有许多传感应用，因为许多气体（如SO2，NOx，NH3）和生物分子在这些光谱区显示出吸收带，包括色氨酸、NADH、酪氨酸、DNA和RNA。UVC-LED也可以用于非视距通信，也是重力传感器领域中基础科学实验的兴趣所在，例如ESANASA激光干涉仪空间天线（LISA）任务中，用于实现电荷管理系统。
诸多优势需要面对的现实就是技术上尚未成熟，需要更多的研发和合作，让产学研、产业链上下游能够协同起来，把氮化物紫外发光器件推向如蓝光LED般的高度。译者所在研发中心已有10多年深紫外LED的开发历程，深知其长产业链的难度以及技术开发积累的重要性。本书主编Michael Kneissl教授和Jens Rass教授均就职于德国柏林工业大学固体物理研究所与莱布尼茨高频技术学院，费迪南德-布朗学院。本书非常及时而且全面地总结了目前氮化物紫外发光器件的最新进展，对于我们进一步研发和产业化是很好的借鉴。希望本书的翻译出版能使更多的人了解这个领域，更多的人参与到这个领域，从而实现广泛的技术交流和应用开发，能够为Ⅲ族氮化物紫外光电器件产业提供帮助。
因本书原著中采用英制学非国际标准的计量单位，为了保持原书中数据的直观性，翻译时并未对单位进行改变，读者使用数据时请用本书列出的单位换算表进行换算即可。
鉴于专业所限以及文学修养不足，书中疏漏难免，希望读者海涵并能够指正为盼。
这里要感谢中国科学院半导体照明研发中心的全体同事在氮化物材料、器件、封装、应用方面的工作，尤其是他们在紫外器件方面的工作，也让译者能够更贴切地表达出原文的专业术语。谢海忠老师等对翻译进行了校对，在此一并致谢。
段瑞飞王军喜李晋闽
中国科学院半导体照明研发中心
2018年于北京
前言
过去的二十年中，Ⅲ族氮化物基紫外发光二极管（UV-LED）及其应用经历了飞速的发展。这可以通过许多方面来说明。例如，在紫外LED领域发表的文章数量正稳步上升，并在2014年时达到几乎每年1000篇期刊文章（图1）。然而，我们发现，这样快速增长使得人们很难对所有研究进展有全面的概述。很多时候，当半导体材料和光电子器件领域的研究人员描述紫外发光器件的应用时，会发现这些信息的系统性不够。另一方面，在各个领域应用紫外发光器件和探测器的开发人员和工程师往往不理解材料和器件开发的复杂性。本书的目的就是把所有这些进展置于同一背景下，提供Ⅲ族氮化物材料、紫外光电器件及其应用的最新技术的全面综述。目标读者为研究人员和电气工程师，材料科学、物理学研究生以及科学家，将紫外发光器件和探测器应用到各领域的开发人员。本书提供了Ⅲ族氮化物材料的概述，包括其结构、光学和电学性质以及各种光电元器件，如UV-LED、紫外激光器和光电探测器的关键性能。
本书还提供了一些关键紫外发光器件和探测器应用的介绍，包括水净化、光疗、气敏传感、荧光激发、植物生长照明和UV固化。虽然每
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