小尺寸提高DUV LED效率

深紫外(DUV)光源具有许多有价值的应用，包括杀菌照射、光疗、水/空气/食品杀菌和光通信。但是，尽管对基于AlGaN的DUV LED的研究已取得了令人振奋的进展，但其工业应用仍处于起步阶段。

这是因为它们的电光转化效率(WPE)有限，这是由低外部量子效率(EQE)、受限的光提取效率(LEE)和大尺寸芯片中严重的电流集聚效应造成的。

值得注意的是，这些LED特性在很大程度上取决于芯片尺寸，这已在可见光LED中得到广泛研究。然而，此类研究尚未在DUV微型LED器件中进行。

最近，由孙海定领导的中科大(USTC)的一个团队研究了275nm DUV micro-LED的光学和电气特性的尺寸依赖性，重点研究了直径（D）分别为300、200、100、50和20μm的制造器件。制造器件的示意图如图例所示。1(a)在文章的顶部。

直径为20µm的LED的扫描电子显微镜(SEM)图像和五组LED发射模式的光学显微照片（俯视图）如图例1(b)和1(c)所示。已经发现，较小的DUV微型LED提供更高的功率密度，并且由于电流扩散和光提取效率(LEE)的改善，可以在高注入电流密度下实现更高的EQE。

鉴于这些LED尺寸不同，图2(a)中比较了电流密度(J)与正向电压(V)的关系，其中J是使用p电极的面积计算的。与I-V特性不同的是，可以观察到，由于较小LED中电流扩散的均匀性增加，因此在相同偏置下具有较小台面尺寸的LED的J显著高于较大LED的J。有趣的是，直径为20µm的最小LED可以承受非常高的正向电流密度，达到4500A/cm²以上。

图2(b)是正向J-V曲线的对数图，从中我们可以观察到，这些器件的漏电流也显示出与尺寸相关的特征。由于较高的表面积与体积比，具有较小台面尺寸的LED的漏电流往往更大，因为台面边缘附近的侧壁缺陷可能充当电流泄漏路径。

此外，他们将不同注入电流下的光输出功率与LED p-电极尺寸归一化，并将功率密度作为电流密度的函数绘制在图2（c）中。有意思的是，在相同的电流密度下，具有较小台面面积的LED可以提供更高的功率密度。较小芯片的这种功率密度提高主要是由于电流扩散的均匀性更好。同样值得注意的是，最小的器件(D=20 µm)提供了最高的最大功率密度，高达86W/cm²，比最大器件(D=300µm)的最大功率密度4.14W/cm²高出20多倍。随后，从光输出功率测量中提取了LED的EQE值。

如图2(d)所示，在那些大LED(D≥100μm)中，直径较小的LED在低电流密度下显示出较低的EQE值。事实上，100μm LED的侧壁周长与台面面积之比是300μm LED的三倍，因此，可以预期在台面侧壁边缘有更多与缺陷相关的非辐射复合，这可能有助于抑制辐射复合，因为它对侧壁缺陷高度敏感。

因此，这些LED(D≥100μm) 的EQE值，在低电流密度下，在那些直径较小的LED中较低，但在较高的电流密度下它们则较高，因为电流扩散的均匀性更好。当谈到小尺寸LED(D<100μm)时，他们发现小尺寸LED总体上比那些较大LED(D≥100μm)具有更高的EQE，这归因于电流扩散的更均匀性以及可能更高的LEE。

较小LED芯片的LEE增强归因于AlGaN多层膜中的强波导效应以及LED芯片内发射光子的较短光路中的低功率损耗。此外，当器件直径减小时，更多的光可以从台面侧壁反射，从而进一步增强光提取。此外，他们还观察到，由于在高电流注入下的自热效应，在这些微型LED中出现了强烈的峰值波长红移和半峰宽(FWHM)值的增加。

最后，他们提到，在深紫外波段，整个DUV LED领域仍然面临着寻找进一步提升EQE性能的有效方法这一巨大挑战。其micro-LED设计和制造可以提供一种替代方法，通过制造串联或并联小型LED阵列来替代传统的大型单个LED芯片，从而提高DUV LED的EQE。

这项工作提供了对DUV micro-LED的电学和光学性能的全面理解，特别是，这些实验观察为设计和制造在DUV范围内发射的具有不同器件几何形状的高效micro-LED提供了见解，可用于未来的各种应用。