直径5微米!全球最小最亮的UVC LED问世

据外媒报道,美国南卡罗来纳大学(the University of South Carolina)的科学家已开发出全球最小、最亮的深紫外LED,芯片尺寸仅为5微米,波长为281nm。由这些芯片组成的UVC LED阵列亮度达361W·cm-2

据悉,在本世纪初,南卡罗来纳大学的研究院队就开始研发小型UV LED互联阵列。第一代UV LED像素直径为25微米,组成了10×10的阵列,提升了光输出功率,具有超高可靠性,并减少了电流拥挤,主要对标串联电阻和辅助电流扩展。

最近,该团队针对深紫外光源再次对这个结构进行研究,主要聚焦热阻抗以及像素尺寸对发射功率的影响。

据团队的发言人Richard Floyd透露,将深紫外LED的尺寸缩小到20微米以内不会增加大部分生产步骤的难度,也不需要专门的设备来完成。例如,研究团队在所有的光刻步骤中采用了标准的光阻剂光罩(Photoresist Masking)和Karl Suss MJB-3掩模对准器(Mask Aligner)。

不过,为了保证整个晶圆的均匀性,研究团队优化了20微米以下光刻曝光和显影时间,同时优化了p极欧姆接触退火条件。

研究团队将直径为90微米的单像素LED参照物与三个不同的阵列结构进行对比,分别是:36个直径为15微米的像素阵列、81个直径为10微米的像素阵列、324个直径为5微米的像素阵列,间隙均为5微米。

左:5微米互联像素阵列(像素间的间隙为5微米)
右:直流电流为60mA时的相同阵列(图片来源:南卡罗来纳大学)

通过晶圆上测量法(采用500ns脉冲和0.05%的占空比以最大程度降低器件的热量)发现,带有铝散热片的单个5微米(直径)像素,当驱动电流为10.2kA·cm-2时,峰值亮度可达到291W·cm-2,是上述提及LED参照物亮度的30倍。

三个不同阵列的研究结果显示,得益于消除热下垂的优越排热技术,降低像素尺寸可提升性能。相比单芯片参照物,324个直径为5微米的像素阵列在连续波模式下,输出功率提升了5倍以上,而在脉冲模式下,输出功率可提升15倍以上。

通过本次研究,研究团队发现,该互联微像素阵列的外量子效率不会随着像素尺寸缩小而降低,因此,研究者们有信心在不影响器件性能的条件下,开发出更小尺寸的深紫外LED。

但需要注意的是,研究结果也表明了,随着器件尺寸进一步缩小,热阻抗会微幅降低,不过也仅有这个指标会受到影响。

目前,南卡罗来纳大学研究团队正在研究增强光提取效率的工艺技术,期望能够利用独立电子来控制这些像素。

据悉,本次的研究突破有助于推动UVC LED在要求高剂量深紫外照射的应用中更好地与汞灯竞争。毕竟,在口罩消毒等部分应用场所,汞灯的毒性引发不少担忧。

尽管当前UVC LED在光电转换效率、性价比和寿命等技术指标方面还比不上汞灯,但技术的不断突破终将推进UVC LED替代汞灯的进程。(文:LEDinside Janice)

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