·1116 工程科学学报，第40卷，第9期 test site.The research shows that the low-field electroluminescent inspection mark has the advantages of low power consumption and ob- vious luminescence.When it is in an area where the electric field strength is above 1.2 x10 V.m,the light can be excited and the injected current is about 1.I mA.Simulation and experimental analysis show that the electric field strength around the UHV transmis- sion lines meets the requirements of the light-emitting indication of an electroscope.Meanwhile,the space stray current and capacitance effect of the material provide the injection current.The inspection mark indicates the charged state through the light-emitting proper- ties.Its installation can be within a distance of 13cm from the UHV conductor axis,and it has good weather resistance.Meanwhile,it avoids problems such as electromagnetic interference and poor reliability that occur in electroscope equipment with complex circuits. KEY WORDS gallium nitride:inspection mark:electrochromic:finite element simulation:UHV transmission lines 电力系统在对输电设备进行停电检修时，验电 复合粉末(NiCr)由上海邵丰焊材有限公司提供， 是必须提前进行的一项工作.《国家电网公司电力 GaN、InGaN材料由上海国丽电子科技有限公司提 安全工作规程》明确规定，在部分停电的电气设备 供，厚度分别为2和2.5μum,nAlN由武汉大学化学 上开展相关作业前，必须要首先进行验电，验明电气 院提供，品质为工业级，其他材料如氧化铟锡(TO) 设备或输电线路确无电压.目前，验电主要是采用 膜等均由材料加工厂家制备提供.各个层所组成的 绝缘杆配合验电器进行操作·-习，该方法对低电压 机构如图1所示.对应的材料如表1所示 等级输电导线较为实用，然而特高压输电线路电压 欧姆接触层 等级高，安全距离要求较大，操作杆长度和挠度很难 满足要求，整体质量大，工作人员操作不便：现有电 容式验电器，闪光式验电需要单独提供电源，并且是 电流扩散层 结构复杂的装置，其可靠性不高，而如果仅采用材 限制层 料，放置在导线周围发光验电则可以避免上述问题 通过材料颜色发光变化来表征设备是否带电， 基片层 具有可靠性高、操作方便、成本低等特点.同时，材 料本身比复杂的电路装置具有很好的耐候性能，能 够在户外长期应用，能够很好的解决目前特高压输 欧姆接触层 电导线验电过程中存在的问题.GN(氮化镓)作为 图1氮化镓验电标识结构图 半导体材料，自20世纪90年代初就开始研究，但到 Fig.1 GaN inspection signs 目前为止，绝大多数用于半导体发光照明范围 其属于低场致发光材料（注入式电致发光），其发光 表1验电标识制备材料及工艺 Table 1 Preparation of materials and processes for inspection 功耗较低，且亮度较大：InGaN(铟氮化稼)有很高的 结构 材料 主要工艺 辐射复合几率，纳米棒发光阵列具有较高的内部量 子效率，较高的光提取效率和最佳方向性能囚.特 接触层 Au/NiCr 在氢气环境中完成欧姆接触 扩散层 ZnO:Ga(ITO) 高压输电线周围空间存在较强工频电场，以GaN/ 溶胶一凝胶法/离子干法刻蚀 InGaN材料为基础形成验电标识，通过电场驱动电 限制层 InAIN/InGaN 高温脱氧化层/气相沉积法 子的运动，促进载流子复合，来实现验电指示功能将 基片层 Ga 气相沉积法 成为可能6-).本文研制以GaN/InGaN量子阱为基 材料层 GaN/InGaN 气相沉积等方法 础的纳米棒发光阵列网，通过相关工艺制备成为验 接触层，采用Au作为欧姆接触，能提高导电性 电标识，并对它的结构、光学特性、电学特性进行分 和减小接触电阻：扩散层是材料通电发生变化时，用 析，研究其在特高压输电线路的验电性能. 于扩散的内层：限制层用于提升势垒高度，有利于扩 1 实验材料与原理 大能级间的差距图：基片层用于熔融重结晶生长出 单晶层，材料层中掺杂少许Tm回；材料层是以 1.1材料制备 GaN/InGaN为主的量子阱，类似典型半导体结构， 通过广泛的调研和研究，本文选取的研究材料 它主要由2.5m厚的n型（带负电荷）GaN层，130 主要是GaN/nGaN,其作为发光层.此外还有辅助 nm厚的p型（带正电空穴）GaN层，主要波长为约 发光的接触层、电流扩散层、基片层.其中镍铬合金 440nm的nGaN/GaN量子阱组成，其主要通过气相工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 test site． The research shows that the low-field electroluminescent inspection mark has the advantages of low power consumption and ob￾vious luminescence． When it is in an area where the electric field strength is above 1. 2 × 106 V·m － 1，the light can be excited and the injected current is about 1. 1 mA． Simulation and experimental analysis show that the electric field strength around the UHV transmis￾sion lines meets the requirements of the light-emitting indication of an electroscope． Meanwhile，the space stray current and capacitance effect of the material provide the injection current． The inspection mark indicates the charged state through the light-emitting proper￾ties． Its installation can be within a distance of 13 cm from the UHV conductor axis，and it has good weather resistance． Meanwhile，it avoids problems such as electromagnetic interference and poor reliability that occur in electroscope equipment with complex circuits． KEY WOＲDS gallium nitride; inspection mark; electrochromic; finite element simulation; UHV transmission lines 电力系统在对输电设备进行停电检修时，验电 是必须提前进行的一项工作． 《国家电网公司电力 安全工作规程》明确规定，在部分停电的电气设备 上开展相关作业前，必须要首先进行验电，验明电气 设备或输电线路确无电压． 目前，验电主要是采用 绝缘杆配合验电器进行操作［1--2］，该方法对低电压 等级输电导线较为实用，然而特高压输电线路电压 等级高，安全距离要求较大，操作杆长度和挠度很难 满足要求，整体质量大，工作人员操作不便; 现有电 容式验电器，闪光式验电需要单独提供电源，并且是 结构复杂的装置，其可靠性不高，而如果仅采用材 料，放置在导线周围发光验电则可以避免上述问题． 通过材料颜色发光变化来表征设备是否带电， 具有可靠性高、操作方便、成本低等特点． 同时，材 料本身比复杂的电路装置具有很好的耐候性能，能 够在户外长期应用，能够很好的解决目前特高压输 电导线验电过程中存在的问题． GaN( 氮化镓) 作为 半导体材料，自 20 世纪 90 年代初就开始研究，但到 目前为止，绝大多数用于半导体发光照明范围［3--4］． 其属于低场致发光材料( 注入式电致发光) ，其发光 功耗较低，且亮度较大; InGaN( 铟氮化稼) 有很高的 辐射复合几率，纳米棒发光阵列具有较高的内部量 子效率，较高的光提取效率和最佳方向性能［5］． 特 高压输电线周围空间存在较强工频电场，以 GaN / InGaN 材料为基础形成验电标识，通过电场驱动电 子的运动，促进载流子复合，来实现验电指示功能将 成为可能［6--7］． 本文研制以 GaN / InGaN 量子阱为基 础的纳米棒发光阵列［8］，通过相关工艺制备成为验 电标识，并对它的结构、光学特性、电学特性进行分 析，研究其在特高压输电线路的验电性能． 1 实验材料与原理 1. 1 材料制备 通过广泛的调研和研究，本文选取的研究材料 主要是 GaN / InGaN，其作为发光层． 此外还有辅助 发光的接触层、电流扩散层、基片层． 其中镍铬合金 复合粉末( NiCr) 由上海邵丰焊材有限公司提供， GaN、InGaN 材料由上海国丽电子科技有限公司提 供，厚度分别为 2 和 2. 5 μm，InAlN 由武汉大学化学 院提供，品质为工业级，其他材料如氧化铟锡( ITO) 膜等均由材料加工厂家制备提供． 各个层所组成的 机构如图 1 所示． 对应的材料如表 1 所示． 图 1 氮化镓验电标识结构图 Fig． 1 GaN inspection signs 表 1 验电标识制备材料及工艺 Table 1 Preparation of materials and processes for inspection 结构 材料 主要工艺 接触层 Au /NiCr 在氢气环境中完成欧姆接触 扩散层 ZnO: Ga( ITO) 溶胶--凝胶法/离子干法刻蚀 限制层 InAlN / InGaN 高温脱氧化层/气相沉积法 基片层 Ga 气相沉积法 材料层 GaN / InGaN 气相沉积等方法 接触层，采用 Au 作为欧姆接触，能提高导电性 和减小接触电阻; 扩散层是材料通电发生变化时，用 于扩散的内层; 限制层用于提升势垒高度，有利于扩 大能级间的差距［8］; 基片层用于熔融重结晶生长出 单晶 层，材料层中掺杂少许 Tm［9］; 材料 层 是 以 GaN / InGaN 为主的量子阱，类似典型半导体结构， 它主要由 2. 5 μm 厚的 n 型( 带负电荷) GaN 层，130 nm 厚的 p 型( 带正电空穴) GaN 层，主要波长为约 440 nm 的 InGaN /GaN 量子阱组成，其主要通过气相 · 6111 ·