【摘 要】
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GaN是一种理想的短波长发光器件材料。基于In GaN/GaN多量子阱的P-N结器件不仅可以在电流驱动下发出特定频率的光,同时也可对特定频率的光照产生相应的光电流。基于此原理,将发光二极管（Light-Emitting Diode,LED）和光探测器（Photodetector,PD）同时集成制造在同一个衬底上,形成同质的LED-PD单元。实现单器件发光与收光耦合与匹配,克服了现有分立LED与PD
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GaN是一种理想的短波长发光器件材料。基于In GaN/GaN多量子阱的P-N结器件不仅可以在电流驱动下发出特定频率的光,同时也可对特定频率的光照产生相应的光电流。基于此原理,将发光二极管（Light-Emitting Diode,LED）和光探测器（Photodetector,PD）同时集成制造在同一个衬底上,形成同质的LED-PD单元。实现单器件发光与收光耦合与匹配,克服了现有分立LED与PD相互独立、兼容性差、无法光子集成的问题。对不同的应用场景展开进一步的研究。主要研究内容及结论摘要如下:（1）基于能带理论及斯托克斯位移理论提出了GaN基倒装同质P-N结偶的芯片结构,将发光与感光两类光子单元设计在包含In GaN/GaN多量子阱（Multiple Quantum Well,MQW）的同一蓝宝石衬底生长的GaN晶圆上,集成为同质P-N结偶芯片,取代传统分立式的发光器件与光检测器而在同一芯片上同时实现发光和检测两个功能。（2）研究了GaN基同质P-N结偶芯片的工作机理,分析了倒装GaN在同质外延上实现发光和收光的可行性与技术优势。在同质P-N结偶LED-PD器件中,因为具有相同的MQW结构,发射光谱与吸收光谱存在重叠,所以同质P-N结偶芯片中的PD始终能够用作LED发出的光的检测器。制备InxGa1-xN组分x分别为0.158、0.215和0.274的三组芯片,封装后其波长分布为440nm、470nm和513nm,经过测试表明LED在10m A的电流下三种芯片产生的光电流分别为10.604μA、5.165μA、2.509μA,随着芯片发光波长的增加斯托克斯位移相应增加,而PD产生的感应光电流减小,与理论一致。即使在最大斯托克斯位移条件下,同质P-N结偶芯片的吸收光谱仍将与发射光谱重叠。（3）设计了倒装芯片制备方案,研究了倒装P-N结偶芯片的大规模制备工艺包括GaN外延生长工艺,在倒装芯片制备的过程中引入了银反射镜以及分布式布拉格反射层以增加芯片的光提取效率。设计了对称式同质P-N结偶蓝光芯片、绿光芯片以及非对称式同质P-N结偶芯片并进行制备。在同质P-N结偶芯片的封装上引入了硅基板、铝基板等倒装器件封装方案。（4）将同质P-N结偶芯片封装到可穿戴的透明柔性基板上,使芯片紧密地附着在手腕皮肤上,实时监测手腕上的脉搏信号,获得了清晰的心率脉冲轮廓信号。与传统的分立式光电心率传感器相比,该新型光电心率微传感器的结构紧凑、光学耦合抗干扰能力强、光电容积描记（Photo Plethysmograph,PPG）信号保形性好、监测精度高。在0-60 m A的光发射电流范围内,PPG信号的峰峰值幅度（Ip-p）变化仅为0.141-0.155μA,心率脉冲电流轮廓保形性完好。（5）提出了一种基于倒装结构的同质P-N结偶芯片的溶液折射率高精度快速测量方法。与传统的折射率测试方法相比,由于裸露的透明蓝宝石与待测溶液直接接触,蓝宝石/溶液界面处的菲涅耳反射和全反射大大增强,强化了光电耦合的过程。室温下该溶液折射率器件可以精确感测折射率范围为1.3325 RIU至1.5148 RIU,灵敏度达到7.77μA/RIU。（6）提出了一种基于倒装结构的同质P-N结偶芯片的酒精浓度测量方法。在高纯酒精水含量的测试过程中,发光LED发出的光线经过蓝宝石和待测酒精界面反射后由收光PD接收。由于蓝宝石表面的高疏水性,使得酒精中水含量的测试具有高的灵敏度和瞬态响应。实验表明,该器件对乙醇中水含量的检测灵敏度为7.12 n A/（酒精中的水含量%）,检测分辨率为0.007%。这种特性还可应用于多种复杂液态体系的含水量精准测试场景中。
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