紫外(UV)LED是指發射的峰值波長在400nm以下的發光二極管,通常可以分為兩類:波長在300~400nm的稱為近紫外(NUV)LED;200~300nm的稱為深紫外(DUV)LED。UV-LED在眾多領域都具有廣闊的應用前景,包括UV放電燈的替代光源、熒光光源、顯微鏡或曝光機的高分辨率光源,以及用于固化、醫藥、生物研究等的光化學反應光源、用于殺菌消毒的紫外光源等。
普通的藍光LED基本采用GaN作為發光材料,但是由于GaN的帶隙為3.4eV,芯片內部產生的波長小于370nm的輻射會被GaN吸收。因此,UV-LED大都采用AlGaN作為發光材料。但是AlGaNLED需要1層帶隙更大的包覆層,造成了更高的穿透位錯密度(ThreadingDislocationDensity,TDD),從而導致發光效率降低。隨著輻射峰值波長的減小,LED芯片的外量子效率(EQE)逐漸降低。
目前NUV-LED的制備技術發展迅速,芯片性能得到了極大的提升。365nm芯片的EQE達到了30%,385nm芯片可達50%,而405nm芯片效率高達60%。常規的NUV-LED芯片單顆輸出功率達到了瓦級,可用于樹脂固化、曝光機、驗鈔機等。目前NUV-LED芯片研制以大功率產品為方向,365nmLED的單顆輸出功率可達到12W;而這些大功率LED的價格隨著批量生產而大幅下降,因此真正可以實用化。
DUV-LED芯片受制于技術難點,目前效率仍然比較低,僅不到2%,且價格昂貴,只能局限于實驗室應用或小功率的效果驗證。改進DUV-LED制備工藝、提高芯片效率,是目前相關研究機構和企業的重要研究方向。
日本RIKEN的Hirayama等人采用NH3脈沖氣流多層生長方法,成功地在藍寶石襯底上橫向外延生長(EpitaxialLateralOvergrowth,ELO)AlN基板,大幅度降低了位錯密度,并在此基礎上制備了222~282nm的DUV-LED。通過氨脈沖氣流多層生長方法,先在藍寶石上生長初始的AlN條紋層;然后采用低氣壓有機金屬化學氣相沉積(LPMOCVD)方法,生成寬度為5μm、間距為3μm、厚度約15μm的ELO-AlN條紋結構基板。
投射電鏡圖像顯示,ELO-AlN層邊緣穿透位錯密度為3×108cm-2。270nm的AlGaN多量子阱(MQW)DUV-LED芯片結構如圖所示,其峰值波長為273nm,室溫下連續波工作,最大輸出功率可以達到2.7mW。而在室溫下連續波工作時,波長241nm和256nm的AlGaN量子阱LED的最大輸出功率分別為1.1mW和4.0mW;在室溫下脈沖狀態工作時,227nm和222nmAlGaN量子阱LED的最大輸出功率分別為0.15mW和0.014mW;227nm和250nmAlGaNLED的最大EQE分別為0.2%和0.43%。