利用表面微结构提高波长上转换红外探测器效率

波长上转换红外探测器具有实现大面阵焦平面的优势, 但光提取效率是制约器件整体效率的关键因素之一. 本文主要研究利用表面微结构来提高波长上转换红外探测器的效率. 首先通过仿真计算研究了表面微结构参数对光提取效率的影响, 然后基于优化设计的参数, 采用聚苯乙烯纳米球掩膜刻蚀的方法制作了具有圆台型表面微结构的波长上转换红外探测器. 测试结果表明, 具有表面微结构的器件的光提取效率比无表面微结构的器件提高了130%. 本文制作表面微结构的方法可以实现波长上转换红外探测器件整体效率的提高.     

利用截头圆锥形仿生蛾眼结构提高LED光提取效率

为提高发光二极管(LED)光提取效率,根据等效介质理论在LED钝化层(SiNx)表面设计并制作了一种截头圆锥形微结构阵列。通过模拟重点分析了微结构的底面占空比、底面直径、高度和倾角对提高LED光提取效率的影响,得出微结构的底面占空比为0.55、底面半径为220nm、高度为245nm、侧面倾角为70°时器件的光提取效率最优,是无表面微结构器件的4.85倍。采用纳米球刻蚀技术在LED钝化层表面制备该亚波长纳米结构,并与无表面微结构的LED芯片进行电致发光对比测试。结果表明,制作有微结构的样品在20 mA和150 mA工作电流下的发光效率是无微结构参考样品的4.41倍和4.36倍,计算结果与实验结果比较一致,说明在LED钝化层制作该结构可有效提高光提取效率。     

基于纳米孔阵列增透膜的光伏器件特性分析及实验研究

利用严格耦合波理论分析了纳米孔阵列薄膜的光学特性,提出将纳米孔阵列薄膜作为光伏器件 增透膜来提高器件的光吸收和转换效率.理论分析表明:纳米孔阵列薄膜比单层增透膜有更好的增透效果, 能够更好地提高光伏器件的转换效率,在400 nm-600 nm波段尤为显著.纳米孔阵列薄膜的最优结构参数: 周期为500 nm,填充率为0.2,厚度为110 nm.采用微纳加工技术,在Φ 200 μm Si 探测器的增透膜上制作了不同周期的纳米孔阵列,并搭建了相应的测试系统.实验结果表明: 周期为500 nm时器件的性能提高最为明显,短路电流在400 nm-1100 nm波段提高约为6%, 在400 nm-600 nm波段提高约为15%;开路电压提高约为2%.纳米孔阵列薄膜能够很好地提高光伏器件 的转换效率.     

利用单层密排的纳米球提高发光二极管的出光效率

在发光二极管(LED)的透明电极层上制作单层六角密排的聚苯乙烯(polystyrene, PS) 纳米球, 研究提高GaN基蓝光LED的出光效率. 采用自组装的方法在透明电极铟锡氧化物层上制备了直径分别约为250, 300, 450, 600和950 nm的PS纳米球, 并且开展了电致发光的研究. 结果表明, 在LED的透明电极层上附有PS纳米球能有效地提高LED的出光效率; 当PS纳米球的直径与出射光的波长比较接近时, LED的出光效率最优. 与参考样品相比, 在20 mA和150 mA工作电流下, 附有PS纳米球的样品的发光效率分别增加1.34倍和1.25倍. 三维时域有限差分方法计算表明, 该出光增强主要归因于附有PS纳米球的LED结构可以增大LED结构的光输出临界角, 从而提高LED的出光效率. 因此, 这是一种低成本的实现高效率LED的方法.     

亚波长金属光栅的光耦合增强效应及透射局域化的模拟研究

介质层上的亚波长金属光栅产生的表面等离子体（surface plasmons,SPs）可以极大地增强光栅下介质层内的透射光强.增强作用从500 nm延续到近红外区域.在波长610 nm附近有接近110%的增强,在波长700 nm及740 nm处也有180%左右的增强.而这个波长范围与薄膜太阳能电池的吸收谱很相近,因此这种结构有望大幅度提高薄膜太阳能电池及不同波长光探测器等光电转换器件的光耦合效率. 关键词： 表面等离子体 亚波长光栅 薄膜太阳能电池 透射增强     

红外波长上转换器件中载流子阻挡结构的研究

复杂半导体材料结构中的载流子分布特性对器件性能有重要影响. 本文针对一种新型的波长上转换红外探测器, 研究了载流子阻挡结构对载流子分布和器件特性的影响. 论文通过自洽求解薛定谔方程、泊松方程、电流连续性方程和载流子速率方程分析了不同器件结构中的空穴分布. 同时, 生长了相应结构的外延材料, 并通过电致荧光谱分析了载流子阻挡结构对器件特性的影响. 结果表明, 2 nm厚的AlAs势垒层既能有效阻挡空穴又不影响电子输运, 有利于制作波长上转换红外探测器. 此外, 论文分析了阻挡势垒层的厚度和高度以及工作温度对载流子分布的影响. 本文研究结果亦可应用于其他载流子非均匀分布的半导体器件.     

微纳光栅结构增强聚合物太阳能电池光吸收的研究

基于共轭聚合物给体材料P3HT和富勒烯衍生物受体材料PCBM共混的体异质结结构的聚合物太阳能电池,因其空穴载流子迁移率低而限制了P3HT:PCBM功能层厚度,从而影响了器件对入射光的吸收.在聚合物功能层表面引入微纳光栅结构可以使器件内电场重新分布并改善器件的光吸收.本文基于时域有限差分方法仿真得到了光栅周期为1μm,占空比为0.5以及入射波长分别为500和700 nm时二维器件内光电场分布;并基于严格耦合波分析方法计算得到了不同光栅深度和光栅占空比的器件光吸收.理论分析表明:插入微纳光栅结构后,由于光栅衍射增强作用使器件内出现了光聚焦现象;当占空比为0.5时,光栅深度为10 nm的器件在入射波长为512 nm时,器件光学吸收增加了4.2%.基于聚二甲基硅氧烷的微压印技术,制备了微纳光栅结构聚合物太阳能,器件结构为ITO/PEDOT:PSS光栅层/P3HT:PCBM/LiF/Al.该器件与平板器件的性能对比实验证实,通过在PEDOT:PSS上引入微纳光栅结构,器件能量转化效率增加了31%.     

人工微纳结构增强长波及甚长波红外探测器

红外探测器具有把物体辐射的光子信息转换为电信号的能力,拓宽了人们观察自然环境与人类活动的边界.当前,长波及甚长波红外探测器已在大气监测、夜间侦查、深空探测等领域有诸多应用.随着各国对高端红外探测器要求的快速提升,传统红外探测器难以兼顾高响应率、高响应速度以及多维探测等性能指标的瓶颈日益凸显.基于微纳光学理论设计的人工微纳结构,可实现其与红外光子的高效耦合,综合调控红外光场的振幅、偏振、相位及波长等自由度.为拓展红外探测器额外的调控自由度,进而在实现高量子效率的同时,兼顾较高的响应速率与优异的偏振或波长选择性,集成红外探测器与人工微纳结构的研究思路近年来被广泛应用.本文讨论了人工微纳结构在长波及甚长波红外探测领域的应用进展,详述了表面等离激元、局域等离激元、谐振腔结构、陷光结构、超透镜、赝表面等离激元、间隙等离激元和声子极化激元等机制的应用现状及各机制固有的优劣势,进而指出了人工微纳结构在长波及甚长波红外探测应用的发展前景与方向.     

硅表面抗反射纳米周期阵列结构的纳米压印制备与性能研究

硅表面固有的菲涅耳反射, 使得硅基半导体光电器件(如太阳能电池、红外探测器)表面有30%以上的入射光因反射而损失掉, 严重影响着器件的光电转换效率. 寻找一种方法降低硅基表面的反射率, 进而提高器件的效率成为近年来研究的重点.本文基于纳米压印光刻技术, 在2 英寸单晶硅表面制备出周期530 nm, 高240 nm的二维六角截顶抛面纳米柱阵列结构. 反射率的测试表明, 当入射光角度为8° 时, 有纳米结构的硅片相对于无纳米 结构的硅片来讲, 在400到2500 nm波长范围内的反射率有很明显的降低, 其中, 800到2000 nm波段的反射率都小于10%, 在波长1360 nm附近的反射率由31%降低为零. 结合等效介质理论和严格耦合波理论对结果进行了分析和验证. 关键词： 纳米压印 截顶抛物面阵列 抗反射 等效介质理论     

纳米半球微镜阵列结构对GaN基LED光提取效率的影响

为了分析表面纳米半球微镜结构对GaN基发光二极管（LED)光提取效率的影响,利用时域有限差分法(FDTD)分别对GaN、ZnO、SiO2、聚苯乙烯组成的半球微镜结构进行了分析和比较,同时用模式分析方法从理论上对FDTD计算结果进行了进一步验证。研究发现,在亚波长范围,折射率较小的材料不利于导模与表面结构层的耦合,不会对光提取效率的提高产生明显影响。相比之下,折射率较大的材料会使更多的模式耦合到半球微镜阵列层,更有利于光提取效率的提高;当材料选定,纳米半球半径增加时,光提取效率也逐渐增加,优化后半径为600 nm的半球微镜阵列结构GaN基LED,其光提取效率比没有结构的普通平板LED增强5.66倍,在以上波导材料结构中最为优化。在此基础上,通过等效折射率的计算得到半球微镜结构的等效折射率模型,并利用非对称平板模式分析的办法对以上得到的结论进行了分析和验证。这些结果对实际的高性能GaN基LED的设计与优化具有重要意义。     

Amorphous Si/insulator multilayers grown by vacuum deposition and electron cyclotron resonance plasma treatment

a-Si/insulator multilayers have been deposited on (0 0 1) Si by electron gun Si evaporation and periodic electron cyclotron resonance plasma oxidation or nitridation. Exposure to an O or N plasma resulted in the formation of a thin SiO₂ and SiN_x layer whose thickness was self-limited and controlled by process parameters. For thin-layer (2 nm) Si/SiO₂ and Si/SiN_x multilayers no visible photoluminescence (PL) was observed in most samples, although all exhibited weak “blue” PL. For the nitride multilayers, annealing at 750°C or 850°C induced visible PL that varied in peak energy with Si layer thickness. Depth profiling of a-Si caps on thin insulating layers revealed no detectable contamination for the SiN_x layers, but substantial O contamination for the SiO₂ films.     

二氧化硅对稀土掺杂二氧化钛薄膜形貌与发光性能的影响

为提高稀土掺杂TiO₂薄膜的上转换效率,采用溶胶-凝胶法和旋涂镀膜工艺制备了Yb³⁺-Er³⁺共掺杂SiO₂/TiO₂上转换光致发光薄膜,研究了SiO₂对TiO₂薄膜形貌以及发光性能的影响。利用FE-SEM观察了薄膜的表面形貌,利用分光光度计测试了薄膜在近红外光区域的透射率的变化,并用荧光光谱仪测试了薄膜的上转换发光光谱。结果表明：SiO₂的掺杂导致TiO₂颗粒尺寸显著减小,TiO₂薄膜在近红外的透射率也有所下降。在980 nm红外光激发下,SiO₂/TiO₂薄膜在630~670 nm处获得了明显的上转换红光发射,在516~537 nm和537~570 nm处获得了较弱的上转换绿光发射。由上转换发光强度与激光泵浦功率的关系推知,绿色和红色上转换发光均为双光子吸收发射过程。     

不同钝化结构对非极性AlGaN-MSM紫外探测器性能的提升

在r面蓝宝石衬底上,采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）法高温生长了未掺杂非极性AlGaN半导体薄膜,在此基础上制备了金属-半导体-金属（MSM）结构的紫外探测器。系统研究了在AlGaN半导体薄膜表面分别磁控溅射SiO₂纳米颗粒与SiO₂钝化层两种钝化手段对非极性AlGaN-MSM结构的紫外探测器性能的影响。实验结果表明：磁控溅射SiO₂纳米颗粒钝化或SiO₂钝化层两种手段都能提升AlGaN-MSM结构紫外探测器性能。暗电流测试表明,SiO₂纳米颗粒和SiO₂钝化层可使器件暗电流下降1~2个数量级,达到nA量级。光谱响应测试发现,在5 V偏压下,探测器在300 nm处具有陡峭的截止边,这表明其具有很好的深紫外特性,光谱响应提高了10³倍,紫外可见抑制比高达10⁵。     

Yb3+,Er3+双掺上转换玻璃陶瓷

制备了以PbF₂+GeO₂+WO₃SiO₂+NaF为基质组分的Yb³⁺,Er³⁺双掺稀土离子上转换发光玻璃陶瓷。采用日本产Hitachi F-4500荧光光度计,激发波长为980nm,观测到样品在550nm处出现较强的上转换发光峰,在528nm处有一个次发光峰,在650nm处有一个相对较弱的发光峰,讨论了发射光谱的特征,建立上转换发光机制,并讨论了上转换发光特征,以及基质成分、制备工艺参数、稀土离子浓度对发光性能的影响。实验中发现c(Yb³⁺):c(Er³⁺)为5:1时,上转换玻璃陶瓷的熔融温度为950℃、退火温度为380℃时,其上转换发光效率最高。     

线性微波化学气相沉积制备SiNx薄膜的微结构及光学性能研究

利用自主研发的线性微波化学气相沉积系统在不同微波功率、微波占空比、基片温度、特气比例条件下制备了SiN_x薄膜. 通过扫描电子显微镜、椭圆偏振仪等表征测量技术, 研究了不同工艺参数对SiN_x薄膜表面形貌、元素配比、折射率、沉积速度的影响, 并探讨了薄膜元素配比、折射率、沉积速度间的关系. 结果表明: 利用线性微波沉积技术, 不同工艺参数下制备的SiN_x薄膜组成元素分布均匀, 同时具有平整的表面状态; 特气比例和微波占空比是影响薄膜折射率的最主要因素, 薄膜折射率在1.92–2.33之间连续可调; 微波功率、微波占空比、沉积温度、特气比例都对SiN_x 薄膜沉积速度影响较大, 制备的SiN_x薄膜最大沉积速度为135 nm·min^-1.     

Visible and infrared photoluminescence from Er-doped SiOx

The annealing behaviors of photoluminescence of SiO_x and Er-doped SiO_x grown by molecular beam epitaxy in the wavelength range of visible and infrared light are studied. For SiO_x, four PL bands located at 510, 600, 716 and 810 nm, respectively, are observed. For Er-doped SiO_x, the 716 nm band, which is believed to be originated from the electron–hole recombination at the interface between crystalline Si and amorphous SiO₂, disappears in the annealing temperature range of 500–900°C. It is suggested the enhancement of Er luminescence is partially due to the energy transfer from the recombination at the interface between crystalline Si and SiO₂ to Er ions.     

Yb3+/Er3+共掺BaGd2O4荧光粉的制备及其上转换发光性质

采用溶胶-凝胶法制备了Yb³⁺/Er³⁺共掺杂BaGd₂O₄上转换荧光粉。研究了退火温度对BaGd₂O₄晶体结构的影响,以及Yb³⁺/Er³⁺共掺杂的BaGd₂O₄荧光粉在971 nm LED激发下,激发密度与上转换发射光功率及效率的关系。研究结果表明,尽管BaGd₂O₄与目前报道效率最高的Yb³⁺/Er³⁺共掺杂BaGd₂ZnO₅基质的最高声子能量相同,但光-光转换效率却相差82倍,极值量子效率相差7.8倍。结论认为,在声子能量不是很高的情况下,材料结构是影响上转换效率的主要因素。     

基于金纳米棒@二氧化硅表面等离子体共振增强的有机太阳能电池

把包裹SiO₂的金纳米棒（Au NRs@SiO₂）掺杂到有机太阳能电池的活性层中,利用表面等离子体共振效应来增强活性层对光的吸收,从而提高有机太阳能电池的能量转换效率。研究了不同掺杂浓度和不同包裹厚度对电池性能的影响。结果表明,掺杂浓度为1.5%时,器件性能最佳,能量转换效率达到4.02%;SiO₂壳层厚度为3 nm时,转换效率达到4.38%,较标准电池提升了29.2%。