陈康等：基于GN材料的特高压输电线路的验电标识 ·1117· 沉积法0在T0衬底上生长外延结构.对于纳 下，扩散层的电子在电场作用下不断运动，撞击材料 米阵列的制备，主要包括如下步骤：第一，通过等离 层，使材料层进行载流子的复合，多余的能量以发光 子体增强化学气相沉积法☒在外延层上沉积200 的形式释放出来，于是就产生了发光变色s一切.当 nm的Si0,掩模层.第二，将220nm厚的抗蚀剂旋 电子在材料中运动时，带负电的电子和带正电的空 涂在SiO,掩膜层上.第三，使用纳米压印光刻，将具 穴进行复合，其多余的能量在材料分子中，产生能级 有三角形纳米阵列的图案转移到晶片上的抗蚀剂 跃迁，其电子和空穴的能量越大，则形成的光能量越 层，通过等离子体去除残余抗蚀剂.第四，通过 大&-.GaN/InGaN材料属于宽禁带的直接带隙 CHF,和O,气体体系对Si02进行离子蚀刻.第五，使 半导体，导带中的电子和价带中的空穴发生辐射复 用的氯气和氩气的气体混合物，对沉积Si0,掩膜层 合时多余的能量会以光子的形式释放.由于晶体本 的GaN外延层进行蚀刻，形成纳米棒阵列n3- 身具有缺陷或者杂质，这些缺陷和杂质会形成一些 各层制备完成之后，采用树脂材料进行密封整 复合中心，有时也能发生非辐射复合0.GaN/n- 体封装形成验电标识，长度为6cm×6cm,整体外观 GaN材料所对应的发光量子阱能带可采用薛定谔方 如图2所示. 程进行表述.沿z方向上的一维薛定谔方程四 如下： 【-若是+a]be=Embe0 式中，春=会山为言朝克常最：为位置变量票为 二阶导数算子，V(z)为z方向上势能函数，m为粒子 有效质量，中(z)为待求波函数，E(n)为本征能级， n=1,2,3… 假设深度为d。,约定量子阱里面V(z)=0,量子 阱外面V()为无穷大，则可以得到本征能级： 图2验电标识整体外观图 EC) (2) Fig.2 Overall appearance of electric inspection mark 本征方程： 在验电标识的制备过程中，最复杂的为发光材 中(z）= 2 (n为偶数) (3) 料层的制备，为了降低材料的生产制作成本，在纳米 sin(k.） 棒制备过程中采用的是工艺相对简单，成本低的纳 b(z）= 2 (n为奇数) (4) 米压印光刻技术，不依赖物理光学成像系统，可以获 得较高的精度，并且可以通过批量生产的方式大幅 式中，4一需为波数，类似的根据不同的势能函数， 度降低成本。离子蚀刻法为干蚀刻的一种，可像大 可以得到该方程的解，进而可以得到辐射复合能量 规模集成电路芯片一样委托相关厂家进行加工完 对应关系 成，相关工艺市场上己经具备较为成熟的产业化技 由于材料中的电子处在不同的能级，其具有不 术.其他各层处理方法如下：接触层(contact layer) 同的能量，具有不同分立的波函数，图3中表示了处 采用在氢气环境中完成欧姆接触，为了避免氧化：扩 在两个不同能级的粒子，在复合的过程中，进行能量 散层(diffusion layer)采用溶胶-凝胶法制备；限制层 激发 (limit layer)采用气相沉积法在基片层(substrate 图3中对应E为GaN直接隙能量，数值为3.39 layer)上生成.各层的制备技术均有成熟的产业化 eV,y表示辐射光的频率，h为普朗克常量，上述即 技术，本验电标识的制备过程与半导体芯片类似 为验电标识的发光机理 本文委托厂家制备了一批总数量为50个验电标识 1.2.2有限元仿真分析原理 样品，成品率约为86%，用于进行后续的研究测试. 电场分析需用到电磁场相关理论.电磁场分析 1.2实验原理 通常归为对微分方程的求解，由唯一性定理可以知 1.2.1发光原理分析 道，当给定场的边界条件后就可以进行求解。有限 验电标识在电场中的发光原理是，在电场作用 元法就是将整个区域离散处理，分隔成大量的小区陈 康等: 基于 GaN 材料的特高压输电线路的验电标识 沉积法［10--11］在 ITO 衬底上生长外延结构． 对于纳 米阵列的制备，主要包括如下步骤: 第一，通过等离 子体增强化学气相沉积法［12］在外延层上沉积 200 nm 的 SiO2掩模层． 第二，将 220 nm 厚的抗蚀剂旋 涂在 SiO2掩膜层上． 第三，使用纳米压印光刻，将具 有三角形纳米阵列的图案转移到晶片上的抗蚀剂 层，通过等离子体去除残余抗蚀剂． 第 四，通 过 CHF3和 O2气体体系对 SiO2进行离子蚀刻． 第五，使 用的氯气和氩气的气体混合物，对沉积 SiO2掩膜层 的 GaN 外延层进行蚀刻，形成纳米棒阵列［13--14］． 各层制备完成之后，采用树脂材料进行密封整 体封装形成验电标识，长度为 6 cm × 6 cm，整体外观 如图 2 所示． 图 2 验电标识整体外观图 Fig． 2 Overall appearance of electric inspection mark 在验电标识的制备过程中，最复杂的为发光材 料层的制备，为了降低材料的生产制作成本，在纳米 棒制备过程中采用的是工艺相对简单，成本低的纳 米压印光刻技术，不依赖物理光学成像系统，可以获 得较高的精度，并且可以通过批量生产的方式大幅 度降低成本． 离子蚀刻法为干蚀刻的一种，可像大 规模集成电路芯片一样委托相关厂家进行加工完 成，相关工艺市场上已经具备较为成熟的产业化技 术． 其他各层处理方法如下: 接触层( contact layer) 采用在氢气环境中完成欧姆接触，为了避免氧化; 扩 散层( diffusion layer) 采用溶胶--凝胶法制备; 限制层 ( limit layer) 采用气相沉积法在基片层( substrate layer) 上生成． 各层的制备技术均有成熟的产业化 技术，本验电标识的制备过程与半导体芯片类似． 本文委托厂家制备了一批总数量为 50 个验电标识 样品，成品率约为 86% ，用于进行后续的研究测试． 1. 2 实验原理 1. 2. 1 发光原理分析 验电标识在电场中的发光原理是，在电场作用 下，扩散层的电子在电场作用下不断运动，撞击材料 层，使材料层进行载流子的复合，多余的能量以发光 的形式释放出来，于是就产生了发光变色［15--17］． 当 电子在材料中运动时，带负电的电子和带正电的空 穴进行复合，其多余的能量在材料分子中，产生能级 跃迁，其电子和空穴的能量越大，则形成的光能量越 大［18--19］． GaN / InGaN 材料属于宽禁带的直接带隙 半导体，导带中的电子和价带中的空穴发生辐射复 合时多余的能量会以光子的形式释放． 由于晶体本 身具有缺陷或者杂质，这些缺陷和杂质会形成一些 复合中心，有时也能发生非辐射复合［20］． GaN / In￾GaN 材料所对应的发光量子阱能带可采用薛定谔方 程进行 表 述． 沿 z 方向上的一维薛定谔方程［21］ 如下 [ : － h － 2 2 1 m d2 dz 2 + V( z ] ) ( z) = E( n) ( z) ( 1) 式中，h － = h 2π，h 为普朗克常量，z 为位置变量，d2 dz 2为 二阶导数算子，V( z) 为 z 方向上势能函数，m 为粒子 有效质量，( z) 为待求波函数，E( n) 为本征能级， n = 1，2，3…． 假设深度为 d0，约定量子阱里面 V( z) = 0，量子 阱外面 V( z) 为无穷大，则可以得到本征能级: E( n) = h － 2 2mk 2 n ( 2) 本征方程: ( z) = 2 槡d0 sin ( kn z) ( n 为偶数) ( 3) ( z) = 2 槡d0 cos ( kn z) ( n 为奇数) ( 4) 式中，kn = nπ d0 为波数，类似的根据不同的势能函数， 可以得到该方程的解，进而可以得到辐射复合能量 对应关系． 由于材料中的电子处在不同的能级，其具有不 同的能量，具有不同分立的波函数，图 3 中表示了处 在两个不同能级的粒子，在复合的过程中，进行能量 激发． 图 3 中对应 E 为 GaN 直接隙能量，数值为 3. 39 eV，γ 表示辐射光的频率，h 为普朗克常量，上述即 为验电标识的发光机理． 1. 2. 2 有限元仿真分析原理 电场分析需用到电磁场相关理论． 电磁场分析 通常归为对微分方程的求解，由唯一性定理可以知 道，当给定场的边界条件后就可以进行求解． 有限 元法就是将整个区域离散处理，分隔成大量的小区 · 7111 ·