直徑 5 微米!全球最小最亮的 UVC LED 問世

據外媒報導,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,晶片尺寸僅為 5 微米,波長為 281 奈米。由這些晶片組成的 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 畫素直徑為 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,並減少了電流擁擠,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畫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採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 微米的單畫素 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 微米的畫素陣列、81 個直徑為 10 微米的畫素陣列、324 個直徑為 5 微米的畫素陣列,間隙均為 5 微米。



▲ 左為 5 微米互聯畫素陣列(畫素間的間隙為 5 微米)。右為直流電流為 60mA 時的相同陣列。(Source:南卡羅來納大學)
 

透過晶圓上測量法(採用 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)畫素,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,得益於消除熱下垂的優越排熱技術,降低畫素尺寸可提升性能。相比單晶片參照物,324 個直徑為 5 微米的畫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,該互聯微畫素陣列的外量子效率不會隨著畫素尺寸縮小而降低,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畫素。

據悉,本次的研究突破有助於推動 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。

儘管當前 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。

(作者:LEDinside Janice;首圖來源:)

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