發布時間:2021-06-08
據外媒報道，美國南卡羅來納大學（the University of South Carolina）的科學家已開發出全球最小、最亮的深紫外LED，芯片尺寸僅為5微米，波長為281nm。由這些芯片組成的UVC LED陣列亮度達361W·cm-2。
據悉，在本世紀初，南卡羅來納大學的研究院隊就開始研發小型UV LED互聯陣列。第一代UV LED像素直徑為25微米，組成了10×10的陣列，提升了光輸出功率，具有超高可靠性，并減少了電流擁擠，主要對標串聯電阻和輔助電流擴展。
最近，該團隊針對深紫外光源再次對這個結構進行研究，主要聚焦熱阻抗以及像素尺寸對發射功率的影響。
據團隊的發言人Richard Floyd透露，將深紫外LED的尺寸縮小到20微米以內不會增加大部分生產步驟的難度，也不需要專門的設備來完成。例如，研究團隊在所有的光刻步驟中采用了標準的光阻劑光罩（Photoresist Masking）和Karl Suss MJB-3掩模對準器（Mask Aligner）。
不過，為了保證整個晶圓的均勻性，研究團隊優化了20微米以下光刻曝光和顯影時間，同時優化了p極歐姆接觸退火條件。
研究團隊將直徑為90微米的單像素LED參照物與三個不同的陣列結構進行對比，分別是：36個直徑為15微米的像素陣列、81個直徑為10微米的像素陣列、324個直徑為5微米的像素陣列，間隙均為5微米。
左：5微米互聯像素陣列（像素間的間隙為5微米）
右：直流電流為60mA時的相同陣列（圖片來源：南卡羅來納大學）
通過晶圓上測量法（采用500ns脈沖和0.05%的占空比以最大程度降低器件的熱量）發現，帶有鋁散熱片的單個5微米（直徑）像素，當驅動電流為10.2kA·cm-2時，峰值亮度可達到291W·cm-2，是上述提及LED參照物亮度的30倍。
三個不同陣列的研究結果顯示，得益于消除熱下垂的優越排熱技術，降低像素尺寸可提升性能。相比單芯片參照物，324個直徑為5微米的像素陣列在連續波模式下，輸出功率提升了5倍以上，而在脈沖模式下，輸出功率可提升15倍以上。
通過本次研究，研究團隊發現，該互聯微像素陣列的外量子效率不會隨著像素尺寸縮小而降低，因此，研究者們有信心在不影響器件性能的條件下，開發出更小尺寸的深紫外LED。
但需要注意的是，研究結果也表明了，隨著器件尺寸進一步縮小，熱阻抗會微幅降低，不過也僅有這個指標會受到影響。
目前，南卡羅來納大學研究團隊正在研究增強光提取效率的工藝技術，期望能夠利用獨立電子來控制這些像素。
據悉，本次的研究突破有助于推動UVC LED在要求高劑量深紫外照射的應用中更好地與汞燈競爭。畢竟，在口罩消毒等部分應用場所，汞燈的毒性引發不少擔憂。
盡管當前UVC LED在光電轉換效率、性價比和壽命等技術指標方面還比不上汞燈，但技術的不斷突破終將推進UVC LED替代汞燈的進程。
