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解读 UVC LED 可见光的来源

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-08-28   来源:材料深一度  浏览次数:529
紫外LED依据波长通常可以划分为UVA LED(320nm-400nm)、UVB LED(280-320nm)、UVC LED(200-280nm)以及VUV LED(10-200nm)。UVC属于不可见光,能破坏细菌或病毒的脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic Acid,DNA)或核糖核酸(Ribonucleic Acid,RNA),从而实现杀菌消毒的效果。在今年新冠肺炎疫情爆发的背景下,UVC LED产业迎来了蓬勃发展,但是很多人在使用UVC LED产品时却发现本来应该看不到光线的UVC LED仍然发射出微弱的紫光,且每个器件之间的发光亮度也并不一致。
 
要解释上述问题,就要从紫外LED的工作原理开始说起,典型的UVC LED芯片结构如图一所示,可分为外延层和衬底两大部分,其中外延层又可以细分为缓冲层、n型层、有源区、p型层和电极。
图一 UVC LED芯片的典型结构
而UVC LED的发光波长由有源区材料的能带带隙决定,三族氮化物半导体材料氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)及氮化铟(InN)均为直接带隙半导体材料,禁带宽度分别为3.43,6.04,0.65eV,通过调节其合金成分,可以实现200-400nm紫外波段的发光光谱,从而使得三族氮化物成为目前制备紫外LED的理想半导体材料。如下图二所示:
图二 三族氮化物半导体的禁带宽度
波长为275nm的UVC LED的发光材料为AlxGa1-xN三元混晶,且Al组分高达47%,然而高Al组分的氮化物半导体外延技术仍不成熟,存在基底与AlGaN的晶格失配问题、Al组分外延过程中的低迁移率问题和量子阱中Al组分垒区空穴与电子复合效率低的问题;同时,空穴注入层中的p型Mg掺杂电离能太高导致了有效空穴密度不足。以上几个问题不仅导致了芯片量子效率的下降,同时将引起芯片电致发光光谱中出现可见光波段的寄生谱峰,即点亮UVC LED器件后能看到微弱的紫光的问题。
 
以某知名芯片厂商的产品为例,如下图三所示,芯片主波长为275nm,但是在主峰两侧仍存在高度较低的寄生谱峰。
图三 UVC LED芯片绝对光谱图
计算后可得,芯片的光功率为2.835mW,但是在波长λ>380nm的可见光区域仍存在0.124mW的光功率,占总光功率的4.37%,因此使用该芯片制作的UVC LED产品在使用时能看到微弱的紫光。同时,由于芯片在制造过程中Al组分掺杂时的缺陷程度不同,导致寄生谱峰的光功率也并不一致,因此不同灯珠之间的可见紫光亮度也存在差异。
 
以上就是UVC LED可见光来源的解释,可见灯珠发射的可见光与器件质量无关,而是目前芯片制造工艺的限制。同时,UVC LED中95%以上光功率仍通过275nm附近波段发射,器件的杀菌消毒效果并未受到影响。
 
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