發(fā)布時(shí)間:2021-06-08
據(jù)外媒報(bào)道，美國南卡羅來納大學(xué)（the University of South Carolina）的科學(xué)家已開發(fā)出全球最小、最亮的深紫外LED，芯片尺寸僅為5微米，波長(zhǎng)為281nm。由這些芯片組成的UVC LED陣列亮度達(dá)361W·cm-2。
據(jù)悉，在本世紀(jì)初，南卡羅來納大學(xué)的研究院隊(duì)就開始研發(fā)小型UV LED互聯(lián)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(duì)標(biāo)串聯(lián)電阻和輔助電流擴(kuò)展。
最近，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)深紫外光源再次對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，主要聚焦熱阻抗以及像素尺寸對(duì)發(fā)射功率的影響。
據(jù)團(tuán)隊(duì)的發(fā)言人Richard Floyd透露，將深紫外LED的尺寸縮小到20微米以內(nèi)不會(huì)增加大部分生產(chǎn)步驟的難度，也不需要專門的設(shè)備來完成。例如，研究團(tuán)隊(duì)在所有的光刻步驟中采用了標(biāo)準(zhǔn)的光阻劑光罩（Photoresist Masking）和Karl Suss MJB-3掩模對(duì)準(zhǔn)器（Mask Aligner）。
不過，為了保證整個(gè)晶圓的均勻性，研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了20微米以下光刻曝光和顯影時(shí)間，同時(shí)優(yōu)化了p極歐姆接觸退火條件。
研究團(tuán)隊(duì)將直徑為90微米的單像素LED參照物與三個(gè)不同的陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，分別是：36個(gè)直徑為15微米的像素陣列、81個(gè)直徑為10微米的像素陣列、324個(gè)直徑為5微米的像素陣列，間隙均為5微米。
左：5微米互聯(lián)像素陣列（像素間的間隙為5微米）
右：直流電流為60mA時(shí)的相同陣列（圖片來源：南卡羅來納大學(xué)）
通過晶圓上測(cè)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(fā)現(xiàn)，帶有鋁散熱片的單個(gè)5微米（直徑）像素，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為10.2kA·cm-2時(shí)，峰值亮度可達(dá)到291W·cm-2，是上述提及LED參照物亮度的30倍。
三個(gè)不同陣列的研究結(jié)果顯示，得益于消除熱下垂的優(yōu)越排熱技術(shù)，降低像素尺寸可提升性能。相比單芯片參照物，324個(gè)直徑為5微米的像素陣列在連續(xù)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，該互聯(lián)微像素陣列的外量子效率不會(huì)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(fā)出更小尺寸的深紫外LED。
但需要注意的是，研究結(jié)果也表明了，隨著器件尺寸進(jìn)一步縮小，熱阻抗會(huì)微幅降低，不過也僅有這個(gè)指標(biāo)會(huì)受到影響。
目前，南卡羅來納大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)正在研究增強(qiáng)光提取效率的工藝技術(shù)，期望能夠利用獨(dú)立電子來控制這些像素。
據(jù)悉，本次的研究突破有助于推動(dòng)UVC LED在要求高劑量深紫外照射的應(yīng)用中更好地與汞燈競(jìng)爭(zhēng)。畢竟，在口罩消毒等部分應(yīng)用場(chǎng)所，汞燈的毒性引發(fā)不少擔(dān)憂。
盡管當(dāng)前UVC LED在光電轉(zhuǎn)換效率、性價(jià)比和壽命等技術(shù)指標(biāo)方面還比不上汞燈，但技術(shù)的不斷突破終將推進(jìn)UVC LED替代汞燈的進(jìn)程。
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