紫外新进展！中日两国科研人员有效提升UVLED光效、转换波长

UVLED风向 · 2021-06-12

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广东省科学院科研人员利用多元合金超晶格有效提升紫外LED光效

导语：

全球128个国家签署的《联合国水俣公约》已于2017年8月在中国正式生效，条约明令各国从2020年起禁止生产及进出口各种含有汞的制品，传统汞灯将被禁止生产和销售。发展环保节能的新型紫外固态光源，替代目前应用广泛的紫外汞灯，已成为杀菌消毒和固化曝光领域迫切的需要。

基于第三代半导体材料AlGaN的紫外LED对肆虐的新型冠状病毒具有明显的杀灭效果，因而得到国内外各界的高度关注。不同于成熟的蓝光LED，由于紫外LED的核心材料具有更低的In含量和更高的Al含量，这使得外延层缺陷密度高、p-AlGaN材料中空穴浓度低、极化效应强、载流子输运不平衡等问题极为突出。因此，紫外LED的发光效率仍远低于成熟的蓝光LED。当发光波长低于370 nm时，紫外LED更是面临着发光效率骤降的难题，成为阻碍其高端应用的最大障碍。

针对以上问题，广东省科学院半导体研究所先进材料平台从材料生长和器件设计两方面对紫外LED展开了较系统深入的技术研发。首先，采用MOCVD精细生长模式调控技术成功制备出高质量AlGaN材料和高内量子效率的AlGaN量子阱；同时，研究人员采用极化场调控技术和能带工程，将多元合金p-AlInGaN/AlGaN短周期超晶格材料（SPSL）引入到AlGaN基紫外LED的电子阻挡层（EBL）结构中，成功研制出高内量子效率的紫外LED器件。结果表明SPSL-EBL能改善紫外LED器件的载流子传输特性，降低器件的开启电压，使得发光波长在368 nm的紫外LED器件发光效率比传统结构提高了101.6%，此项研究将会为高效率的全固态紫外光源的研发开辟新路径。

图1 (a) 基于p-AlInGaN/AlGaN SPSL-EBL的紫外LED器件结构示意图；(b) 368 nm紫外LED外延片（左）和晶圆上的芯片照片（右）。

图2 (a)- (d)和(e)- (h)分别为传统结构和基于SPSL-EBL结构的紫外LED截面STEM图，两种样品的晶体质量良好，各异质结界面清晰；(j)和(k)分别为传统紫外LED基于SPSL紫外LED在200mA正向电流注入下的点亮照片，芯片B的紫外光功率相比传统结构的紫外LED提高了101.6%

以上部分工作结果近日发表于国际权威期刊《Journal of Materials Chemistry C》。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/TC/D1TC02191E#!divAbstract (DOI: 10.1039/D1TC02191E)

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大阪大学一研究小组实现超小型波长转换装置

近日，大阪大学一研究小组提出并制造了一种结构和传统器件完全不同的超小型共振器件，并成功地通过波长转换产生了蓝紫色光。

迄今为止，使用非线性光学晶体的波长转换产生的高输出深紫外激光器已用于工业应用，但不适合在医疗机构、公共机构、家庭中进行杀菌、消毒等应用。在医疗、家庭等这样用途，以波长222nm和波长265nm制作的产品已经在市面销售，但前者效率低，寿命短，后者对人体有害，因此存在应用范围有限的问题。

对此，研究小组认为，可以组合其波长为两倍的蓝色半导体激光器和高效率的波长转换器件，实现对人体无害、波长为220~230nm的深紫外光源，达到强劲的杀菌、消毒效果。

据悉，小型、高效率的波长变换器件主要使用强电介质晶体，但是由于它们对于深紫外光不透明，因此不能适用于深紫外光的产生。另外氮化物半导体由于其晶体结构具有高光学非线性和光损伤耐性，特别是氮化铝由于其透明至波长210nm，因此成为深紫外光发生器件的有力材料。但是，在以往的器件中，需要使晶体的正反面在光波的传播方向上以较短的周期反转，通过晶体生长实现这种结构是非常困难的。

故研究小组制造了一种微小共振器型波长转换器件，该器件将波长转换区域夹在高反射分布布拉格反射器（DBR）之间，而不需要几毫米长度的常规周期极性反转结构波长转换器件，通过结构优化，发现预期长度为10μm左右的器件具有较高的波长转换效率。

除了透明波长不同以外，使用具有与氮化铝相似特性的氮化镓，利用微细加工技术和DBR侧壁的平坦性和垂直性大幅提高的各向异性湿蚀刻，制作出超小型微小共振器型器件。当该器件照射波长为856nm的激光时，成功地产生波长为428nm的蓝紫色光。

这是有望实现的一种超小型波长转换装置，它可以有效地产生具有高杀菌和消毒效果且对人体无害的深紫外光。

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