针对由激光隐形切割技术导致的蓝宝石衬底侧壁粗化对GaN基发光二极管（LED）倒装芯片光提取效率（LEE）的影响，提出一种蒙特卡罗光线追踪的方法。使用蒙特卡罗光线追踪法具体分析侧壁隐形切割对LED倒装芯片各出光面LEE的影响，并对LED倒装芯片蓝宝石侧壁隐形切割的层数和位置进行优化设计。仿真结果表明，随着蓝宝石侧壁隐形切割层数的增多，以及蓝宝石侧壁等效粗糙度的提升，LED倒装芯片顶部出光面的LEE缓慢减少，而侧壁和LED倒装芯片总的LEE逐渐增加。采用蒙特卡罗光线追踪法模拟均匀激光打点与组合激光打点对LED倒装芯片LEE的影响。实验结果表明，当隐形切割层数固定时，均匀激光打点的侧壁和总的LEE均高于组合激光打点。

半导体照明是21世纪初兴起的产业,也是我国第三代半导体材料成功产业化的第一个突破口,技术发展日新月异,是国际高科技领域竞争的焦点之一。目前,我国半导体照明产业已经形成了完整的产业链,功率白光LED、硅基LED和全光谱LED等核心技术同步国际,紫外LED、可见光通讯、农业光照和光医疗等创新应用走在世界前列。介绍了我国在半导体照明方面的研究进展,回顾了相关产业的发展情况,并对未来进行了展望。

传统的直接镀铜(DPC)陶瓷基板的焊盘上镀有Ni/Au金属覆盖层，它会强烈吸收紫外(UV)光。为了提高深紫外发光二极管(DUV LED)的光提取效率(LEE)，设计并制备了镀Al的双层金属镀层DPC陶瓷基板。这种基板拥有一层完全覆盖基板焊盘的Ni/Au镀层为LED提供电互连，以及一层部分覆盖Ni/Au镀层的高反射Al镀层为UV光提供优异的反射。测量了分别由镀Al的DPC陶瓷基板和仅有一层Ni/Au镀层的传统DPC陶瓷基板所封装的DUV LED的光学、电学和热学性质，并建立了LED封装体的模型并进行了分析。结果表明，通过使用镀Al的DPC陶瓷基板，DUV LED的光输出功率(LOP)提高了19.2％，功率效率(WPE)和外量子效率(EQE)则分别提高为传统封装的1.20和1.19倍。此外，经过160 h的老化测试，使用镀Al的DPC陶瓷基板封装的LED表现出了更好的可靠性。这种镀Al的双层金属镀层DPC陶瓷基板为通过封装改善DUV LED的LEE提供了可行的方法。

为了获得高效率的AlGaN基深紫外发光二极管, 提出了具有渐变量子垒的氮极性结构来调控载流子的传输.通过氮极性结构在p型电子阻挡层中形成的反向极化诱导势垒, 改善空穴注入和电子泄漏问题.另外研究了不同的渐变方向和渐变程度对器件性能的影响.模拟结果显示, 在12 nm的AlGaN量子垒上沿着(000-1)方向从Al组分0.65线性渐变到0.6, 可以有效平衡量子垒的势垒高度和斜率, 从而极大的增强空穴注入, 光输出功率相较于传统结构提高了53.6%.该设计为电子泄漏和空穴注入问题提供了直接而有效的解决方案, 在实现更高效率的深紫外发光二极管方面显示出广阔的前景.

通过设计InGaN多量子阱LED有源区的不同结构, 研究了载流子复合机制对LED调制速度的影响。结果显示, 由于窄量子阱LED的载流子空间波函数重叠几率更高, 且电子泄露效应更显著, 所以复合速率更快, 调制带宽更高。In组分为1%的InGaN量子垒LED可提高辐射复合的权重, 使得调制带宽高于GaN量子垒LED; In组分为5%时, 电子泄露和俄歇复合占据主导地位, 且由于这两种复合机制复合速率很快, 所以调制带宽显著提高。

利用单层六方BN材料(hexagonal BN:hBN)作为成核层, 用金属有机物化学气相沉积法生长AlN薄膜, 得到应力小裂纹少的外延材料。实验中, 对hBN材料进行人为表面化学修饰, 以增加hBN的缺陷和后续AlN生长的成核中心。对比分析了有无hBN成核层时生长的AlN薄膜质量, 证实了hBN有助于减少AlN外延层中的裂纹, 空气孔隙及应力。研究了V/III生长参数对AlN薄膜表面形貌、晶体质量和应力的影响, 得到合适的生长窗口, 获得完全无应力的氮化铝外延层, 且其位错密度与蓝宝石上生长的氮化铝相当.

针对中功率蓝光及相应的白光LED器件进行加速老化实验,并具体分析了器件中硅胶和绿红混合荧光粉等封装材料对老化行为的影响和失效机理。在测试器件的光电老化行为之后, 利用反射光谱和飞行时间二次离子质谱对失效器件进行了结构分析。结果表明, 温度和湿度对蓝光和白光器件老化行为具有不同的影响。对于中功率蓝光LED而言, 其光衰的主要原因是由于S、Cl等元素的引入及氧化等因素引起的黄化导致了透明硅胶反射率的下降。而对于绿红混合荧光粉组成的中功率白光LED来说, 其光衰和色漂问题主要归结于在高温特别是高湿环境下工作, 器件中荧光粉和硅胶等封装材料发生了一些化学反应, 使荧光粉发生分解, 并引起了荧光转换效率的下降。

介绍了一种具有高阈值电压和大栅压摆幅的常关型槽栅AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管。采用原子层淀积(ALD)方法实现Al2O3栅介质的沉积。槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的栅长(Lg)为2 μm, 栅宽(Wg)为0.9 mm(0.45 mm×2), 栅极和源极(Lgs)之间的距离为5 μm, 栅极和漏极(Lgd)之间的距离为10 μm。在栅压为－20 V时, 槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的栅漏电仅为0.65 nA。在栅压为+12 V时, 槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的栅漏电为225 nA。器件的栅压摆幅为－20～+12 V。在栅压Vgs=+10 V时, 槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT电流和饱和电流密度分别达到了98 mA和108 mA/mm (Wg=0.9 mm), 特征导通电阻为4 mΩ·cm2。槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的阈值电压为+4.6 V, 开启与关断电流比达到了5×108。当Vds=7 V时, 器件的峰值跨导为42 mS/mm (Wg=0.9 mm, Vgs=+10 V)。在Vgs=0 V时, 栅漏间距为10 μm的槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的关断击穿电压为450 V, 关断泄露电流为0.025 mA/mm。

采用原子层淀积(ALD)方法,制备了Al2O3 为栅介质的高性能AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管(MOS-HEMT)。在栅压为-20 V时,MOS-HEMT的栅漏电比Schottky-gate HEMT的栅漏电低4个数量级以上。在栅压为+2 V时,Schottky-gate HEMT的栅漏电为191 μA;在栅压为+20 V时,MOS-HEMT的栅漏电仅为23.6 nA,比同样尺寸的Schottky-gate HEMT的栅漏电低将近7个数量级。AlGaN/GaN MOS-HEMT的栅压摆幅达到了±20 V。在栅压Vgs=0 V时, MOS-HEMT的饱和电流密度达到了646 mA/mm,相比Schottky-gate HEMT的饱和电流密度（277 mA/mm）提高了133%。栅漏间距为10 μm的AlGaN/GaN MOS-HEMT 器件在栅压为+3 V时的最大饱和输出电流达到680 mA/mm,特征导通电阻为1.47 mΩ·cm2。Schottky-gate HEMT的开启与关断电流比仅为105,MOS-HEMT的开启与关断电流比超过了109,超出了Schottky-gate HEMT器件4个数量级,原因是栅漏电的降低提高了MOS-HEMT的开启与关断电流比。在Vgs=-14 V时,栅漏间距为10 μm的AlGaN/GaN MOS-HEMT的关断击穿电压为640 V,关断泄露电流为27 μA/mm。