紫外发光二极管（UV LED）变得更小更亮

微型深紫外LED阵列提供创纪录的亮度

南卡罗来纳大学的科学家声称生产了世界上最小，最亮的深紫外LED。它们的器件发射波长为281nm，尺寸低至5μm，阵列的输出功率高达361Wcm^-2。

该团队的进展将帮助此类LED在需要高剂量深紫外线辐射的应用中与汞灯竞争。对于某些应用，例如口罩消毒，汞的毒性是值得关注的。

在阿西夫·汗（Asif Khan）的带领下，南卡罗来纳大学的研究小组在本世纪初开创了微型紫外线LED互连阵列的先河。为消除串联电阻和辅助电流扩散而引入，直径为25μm的第一代UV LED像素提供了10 x 10阵列的构造块，这些阵列将光输出功率的增加与出色的器件可靠性相结合，并减少了电流集聚。

最近，研究小组重新研究了这种深紫外光源的结构，将研究重点放在了热阻以及像素尺寸对发射功率的影响上。

这项最新研究的发言人理查德·弗洛伊德（Richard Floyd）告诉 公司，将深紫外LED的尺寸减小到20μm以下不会增加大多数制造步骤的难度，也不需要专门的设备。 “例如，我们在所有光刻步骤中都使用了标准的光刻胶掩模和Karl Suss MJB-3掩模对准器。”

然而，为了确保整个晶圆的良好均匀性，该团队优化了低于20μm特征的光刻曝光/显影时间，以及p-欧姆接触退火条件。

工程师有信心在不影响性能的情况下生产甚至更小的深紫外LED。 “在我们的研究中，我们注意到，互连的微像素阵列的外部量子效率并没有随着像素尺寸的减小而降低，” Floyd说。 “这意味着可以在不牺牲设备性能的情况下实现比我们研究的像素更小的像素尺寸。”

但是请注意，该团队的结果表明，由于器件尺寸的进一步缩小，热阻只会有极小的降低。

紫外光源的制作首先是将蓝宝石模板上的氮化铝加载到MOCVD室中，然后沉积一个包含四个2.5nm厚的Al_0.35Ga_0.65N量子阱和一个20nm厚的p型Al_0.7Ga_0.3N电子阻挡层的超结构。电感耦合等离子体反应离子刻蚀定义了像素尺寸，在氮激活下退火之前，在独立器件中的单个像素周围和互连器件中的像素子阵列周围添加镁掺杂剂和窄小n-接触。根据以前的研究，这种n接触的几何形状可以防止当前的电流集聚。

Floyd和同事比较了直径为90μm的参考单像素LED在三种不同阵列结构下的性能：36个直径为15μm、间距为5μm的像素、81个直径为10μm、间距为5μm的像素和324个直径为5μm、间距为5μm的像素。

晶圆上测量（使用500 ns脉冲和0.05％的占空比，以最大程度地减少器件发热）表明，对于带有铝制散热器的单个5μm直径像素，10.2 kA cm^-2的驱动电流会导致291 W cm^-2的峰值亮度。该亮度是参考LED亮度的30倍。

三种不同阵列的结果表明，减小像素尺寸可提高性能，这要归功于出色的散热效果，可消除热压降。与单芯片参考相比，直径为5μm的324个像素的阵列在连续工作模式下输出功率提高了五倍以上，而在脉冲模式下则提高了15倍以上。

文章顶部的图片显示了（左）5μm像素互连阵列（像素间距为5μm）的顶侧显微照片，以及（右）相同阵列在60 mA直流电流下的蓝宝石面显微照片。

该团队现在正在探索提高光提取效率的技术，并希望利用像素的独立电子控制。

R. Floyd等。Appl. Phys. Express 14 014002 (2021)