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長波紫外或UVA,紫外波段有什么依據(jù)?

文章出處:人氣:-發(fā)表時間:2024-03-06 14:38【

所謂的紫外線(Ultraviolet Rays/簡寫 UV)就是指太陽光線中紫色之外的肉眼看不見的光線。紫外波段依據(jù)波長通常可以劃分為: 長波紫外或UVA(320<λ≤400 nm)、中波紫外或UVB(280<λ≤320 nm)、短波紫外或 UVC(200<λ≤280 nm)以及真空紫外 VUV(10<λ≤200 nm),對應不同波長,具體應用有所不同。

由 LED 而延伸出來的紫外光 UV LED,其應用領(lǐng)域廣泛,市場放量機會巨大。通過技術(shù)手段,合理正確利用紫外光,能將紫外光的功能發(fā)揮到極致,成為人類的福祉。但目前UVLED在芯片制造上還面臨幾大技術(shù)困難。

1、UV LED面臨的技術(shù)困難

(1)獲取更短的波長技術(shù)難度大

從技術(shù)角度而言,普通的藍光 LED 基本采用 GaN 作為發(fā)光材料,但是由于GaN 的帶隙為 3.4eV,芯片內(nèi)部產(chǎn)生的波長小于 370nm 的輻射會被 GaN 吸收。因此,UV-LED 大都采用 AlGaN 作為發(fā)光材料。而 AlGaN LED 需要1層帶隙更大的包覆層,造成了更高的穿透位錯密度,從而導致發(fā)光效率降低。隨著輻射峰值波長的減小,UV-LED 芯片的外量子效率逐漸降低。也就是說,要獲取更短的波長,技術(shù)難度更大,需要從事 UV-LED 芯片廠家對應用技術(shù)研究有個持續(xù)突破的過程。

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(2)高 Al 組分 AlGaN 的材料的外延生長困難

與 GaN 基藍光 LED 相比,深紫外 LED 的研制面臨著許多獨特的技術(shù)困難,如:高 Al 組分 AlGaN 的材料的外延生長困難,一般而言,Al 組分越高,晶體質(zhì)量越低,位錯密度普遍在 109cm-2—1010cm-2 乃至更高; AlGaN 材料的摻雜與 GaN 相比要困難得多,不論 n 型摻雜還是 p 型摻雜,隨著 Al 組分的增加,外延層的電導率迅速降低,尤其是 p-AlGaN 的摻雜尤為棘手,摻雜劑 Mg的激活效率低下,導致空穴不足,導電性和發(fā)光效率銳降;同時紫外 LED 往往在平面藍寶石襯底上外延生長,出光效率低。

(3)量子效率低

深紫外 LED 的 EQE 基本不超過 10%,大部分量子效率在 5%以下。實際上,目前可購買的 UVB、UVC 波段 LED 產(chǎn)品的量子效率往往只有 1%—2%。這與淺紫外和藍光 LED 的水準顯然相去甚遠。

2. 解決方案

針對這些技術(shù)難點,目前已經(jīng)發(fā)展出一些解決方案,如 AlN 同質(zhì)襯底技術(shù)、納米圖形襯底外延技術(shù)(NPSS)和透明p型層技術(shù)等等。

(1)倒裝結(jié)構(gòu)及P層

深紫外LED往往使用pGaN作為p型歐姆接觸層,有時候這一層的厚度會達到上百納米,而 pGaN 對于量子阱發(fā)出的深紫外波段光線有強烈的吸收,因此深紫外 LED 一般采用倒裝結(jié)構(gòu),如下圖所示。在圖所示的外延結(jié)構(gòu)中可以看到,通過采用對于深紫外光透明的 pAlGaN層、減小 pGaN 層的厚度,可以有效緩解這一問題,提升深紫外 LED 器件的光提取效率。

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(2)襯底技術(shù)

限制深紫外LED器件光提取效率的另一個重要因素是平面藍寶石襯底,平面藍寶石襯底導致嚴重的界面全反射,大量的紫外光限制在外延層中出不來。

針對這些難題,近些年國內(nèi)外已有一些研究突破。日本名城大學的研究人員通過在 DUV LED 藍寶石背面制作蛾眼(moth-eye)結(jié)構(gòu)獲得了 1.5 倍的光提取效率提升。美國研究人員通過在 280 nm DUV LED 的藍寶石背面制作微透鏡陣列,在 20 mA 注入電流下光輸出功率提高 55%。韓國研究人員的模擬結(jié)果顯示,納米柱結(jié)構(gòu)能夠非常有效的提高 DUV LED 的光提取效率,尤其是增加TM 的光提取。中國科學院半導體研究所通過采用納米圖形襯底技術(shù),在 20 mA 的注入電流下,將283 nm DUV LED 的光輸出功率由 1.5 mW 提高至 3 mW,外量子效率提升近一倍,其中很重要的提升因素源于納米圖形襯底帶來的光提取增強效果。此外,紫外波段高反射電極、襯底剝離及垂直結(jié)構(gòu)芯片等技術(shù)都可以幫助進一步提升深紫外 LED 的光輸出功率。(此文章來源于UV行家說,如有問題聯(lián)系昀通刪文)

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