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UVC LED可見光的來源

2021年07月09日
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紫外LED依據波長通常可以劃分為UVALED(320nm-4-0nm)、 UVBLED (280-320nm)UVCLED (200-28Onm)以及VUVLED (10-200nm)。UVC屬于不可見光,能破壞細菌或病毒的脫氧核糖核酸〈(Deoxyribonucleic Acid,DNA)或核糖核酸(RbonucleicAcid ,RNA),從而實現殺菌消毒的效果。在今年新冠肺炎疫情爆發的背景下,UVCLED產業迎來了蓬勃發展,但是很多人在使用UVCLED產品時卻發現本來應該看不到光線的UVC LED仍然發射出微弱的紫光,且每個器件之間的發光亮度也并不一致。

要解釋上述問題,就要從紫外LED的工作原理開始說起,典型的UVCLED芯片結構如圖一所示,可分為外延層和襯底兩大部分,其中外延層又可以細分為緩沖層、n型層、有源區、p型層和電極。而UVCLED的發光波長由有源區材料的能帶帶隙決定,三族氮化物半導體材料氮化鐐(GaN)、氮化鋁(AN)及氮化錮(InN)均為直接帶隙半導體材料,禁帶寬度分別為3.43,6.4,0.65eV,通過調節其合金成分,可以實現200-400nm紫外波段的發光光譜,如圖二所示,從而使得三族氮化物成為目前制備紫外LED的理想半導體材料。波長為275nm的UVCLED的發光材料為AlyGa1-.N三元混晶,且A組分高達47%,然而高A組分的氮化物半導體外延技術仍不成熟,存在基底與AIGaN的晶格失配問題、A組分外延過程中的低遷移率問題和量子阱中Al組分壘區空穴與電子復合效率低的問題;同時,空穴注入層中的p型Mg摻雜電離能太高導致了有效空穴密度不足。以上幾個問題不僅導致了芯片量子效率的下降,同時將引起芯片電致發光光譜中出現可見光波段的寄生譜峰,即點亮UVCLED器件后能看到微弱的紫光的問題。

如圖下圖所示,芯片主波長為275nm,但是在主峰兩側仍存在高度較低的寄生譜峰。計算后可得,芯片的光功率為2.835mW,但是在波長入>30nm的可見光區域仍存在0.124mW的光功率,占總光功率的4.37%,因此使用該芯片制作的UVCLED產品使用時能看到微弱的紫光。同時,由于芯片在制造過程中A組分摻雜時的缺陷程度不同,導致寄生譜峰的光功率也并不一致,因此不同燈珠之間的可見紫光亮度也存在差異。

image.png

以上就是UVCLED可見光來源的解釋,可見燈珠發射的可見光與器件質量無關,而是目前芯片制造工藝的限制。同時,UVCLED中95%以上光功率仍通過275nm附近波段發射,器件的殺菌消毒效果并未受到影響。

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