性能优势，UV micro-LED 获突破

UVLED风向 · 2022-10-13

光谱范围在200至280 nm的深紫外发光二极管（UVC LED）因其在日盲通信、海洋防污、消毒灭菌等方面的各种潜在应用而受到广泛关注。得益于外延材料和掺杂技术的提高以及封装技术的进步，UVC LED的可靠性和光效也在不断提高。近年来，尺寸在1~100 μm之间的micro-LED由于具有更好的电流扩展，较低的自热效应，更高的光提取效率等优势，有望进一步提升UVC LED的光电性能。

复旦大学电光源研究所田朋飞课题组与Martin Dawson，Erdan Gu课题组合作于2022年8月在《IEEE Journal of Quantum Electronics》期刊上发表邀请综述“AlGaN Ultraviolet Micro-LEDs”，总结了近年来UV micro-LED的相关研究进展。

文中回顾了紫外micro-LED的性能提升技术和不同应用方向，并对AlGaN基紫外micro-LED的进一步发展做出展望。UV micro-LED为改善UV LED面临的普遍问题提供了解决的可能性，同时也展示了独特的性能优势，并开辟了众多新的应用领域，包括高速光通信、时间分辨荧光寿命测量、光泵浦有机半导体激光器、无掩模光刻和电荷管理等。

图1 UV micro-LED的应用示意图

UVC光源在杀菌消毒领域有很大的应用价值，但这对UVC光的剂量有一定的要求，同时UVC光辐射存在一定的危险性，因此需要能够实时监测深紫外光输出变化的光电探测器（PD）。目前，集成了LED和PD的光子集成系统主要集中在可见光、近红外、中红外和近紫外光波段，对于UVC波段的研究较少。

近期，复旦大学电光源研究所田朋飞课题组制备了一种具备单片集成发光与光电探测的多功能深紫外（UVC）器件，其中，40 μm的UVC micro-LED实现了高达497.38MHz的调制带宽，并基于16-QAM-OFDM技术，实现了自由空间链路1 m传输距离下1.60 Gbps的数据传输速率。同时片上的另一LED可以作为探测器，能够实时监测发光LED光输出强度的变化。相关成果以“Multifunctional ultraviolet-C micro-LED with monolithically integrated photodetector for optical wireless communication”为题于2022年1月发表于《Journal of Lightwave Technology》期刊上。

图2 （a）多功能UVC LED的结构示意图。（b）多功能UVC LED在光学显微镜下的图像。（c）300 µm UVC LED的电压和光输出功率（LOP）随电流密度的变化曲线。（d）40 µm UVC LED的电压和光输出功率（LOP）随电流密度的变化曲线。插图分别为300 µm和40 µm UVC LED的EL光谱。

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研究发现，减小LED的尺寸，可以提高LED器件的侧壁面积占比，从而使得侧壁出光占比高，提高光提取效率（LEE）；同时小尺寸的LED也具有更均匀的电流密度分布与辐射复合速率分布，抑制了电流密度的不均匀性，提高大电流密度下的内量子效率（IQE）。综合以上两种特性，使得深紫外micro-LED拥有更高的外量子效率（EQE=LEE*IQE），在相同面积下micro-LED阵列得以输出更高的光功率，这一现象称为尺寸效应，也是深紫外micro-LED未来发展的优势之一。相关内容以“Analysis of the efficiency improvement of 273 nm AlGaN UV-C micro-LEDs”为题于2022年2月发表于《Journal of Physics D: Applied Physics》期刊上。

图3 （a）IQE（b）LEE与侧壁出光占比（c）EQE的尺寸效应曲线

深紫外UV-C由于其独特的日盲和强散射特性，在建立抗干扰、保密和非视距（NLOS）通信领域具有优异的性能，使其成为传统可见光通信（VLC）的一种很有前途的替代方案。其中，LED尺寸是高速UV-C无线通信的一个重要课题，不同尺寸带来的光学系统的光调制带宽、光输出功率（LOP）、功耗和光耦合效率等之间存在权衡。

复旦大学电光源研究所田朋飞课题组与迟楠课题组合作，基于整个通信系统研究了UV-C LED的尺寸效应。使用离散多音（DMT）调制和比特功率加载（bit-power loading）方法，基于60、80、100、150、200和300 μm UV-C LED的通信系统的最大数据传输速率分别为2.64、2.66、2.65、2.64、2.35和2.18Gbps。此外，基于60 μm UV-Cmicro-LED的通信链路可以实现7.88 Gbits/Joule的高能效，是基于300 μm LED的系统的3.16倍。此项工作可以为UV-C器件的制备提供指导，以在UV-C通信中实现更高的数据速率和能效。相关内容以“Size-dependent UV-C communication performance of AlGaN micro-LEDs and LEDs ”为题于2022年8月发表于《Journal of Lightwave Technology》期刊上。

表1 不同尺寸UV-C LED在最大数据传输速率和最佳电流条件下的通信性能比较

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