為慶祝河北工業大學校慶120周年，《紅外與激光工程》聯合河北工業大學共同出版“河北工業大學校慶專刊“，特邀請張紫輝教授團隊撰寫“AlGaN基深紫外微型發光二極管的研究進展” 文章，總結了深紫外μLED作為日盲紫外光通信光源的研究現狀和綜合分析尺寸效應引起器件性能的變化及其機理，分析出低的光提取效率和嚴重的自熱效應是影響深紫外μLED光功率的兩個主要因素。進而綜述了各種提高深紫外μLED光提取效率和改善熱學特性的方法。

導讀

實現深紫外光通信的一個關鍵器件是深紫外光源。早期深紫外光源利用高壓汞燈實現，但汞燈的調制帶寬非常小，這嚴重影響了深紫光通信的傳輸速率。隨著 AlGaN 基深紫外發光二極管 (DUV LED) 的發展，其不僅在殺菌消毒領域得到廣泛應用，在日盲紫外光通信領域的應用也受到越來越多的關注。與汞燈相比，深紫外LED具有功耗低、設計靈活且調制帶寬高的優勢。其帶寬嚴重依賴于器件尺寸，器件尺寸越小，帶寬越高。但是隨著深紫外微型發光二極管(μLED)的尺寸減少，盡管其帶寬得到提高，但是其光功率卻急劇下降，這嚴重限制了深紫外μLED在光通信中的應用。本文主要總結了深紫外μLED作為日盲紫外光通信光源的研究現狀和綜合分析尺寸效應引起器件性能的變化及其機理；并總結分析出低的光提取效率和嚴重的自熱效應是影響深紫外μLED光功率的兩個主要因素。進而總結了各種提高深紫外μLED光提取效率和改善熱學特性的方法。

研究背景

無線光通信是依靠光輻射來傳遞信息，光的波長可以從紅外到深紫外。而與長波長光通信相比，深紫外光通信具有許多優點。首先，在室內外進行的深紫外光無線通信的背景噪聲可以忽略不計，紫外光通信的信噪比遠高于長波長光通信；第二，由于紫外光在空氣中的散射較強，紫外光通信無需具備一系列對準、跟蹤和捕獲等復雜路線設計，其能夠以散射的方式直接實現非直視(NLOS)通信。此外，深紫外光的輻射功率隨傳輸距離呈指數衰減，限制了信號傳播，信號難以被遠距離監聽和截獲。深紫外光通信在光通信，尤其是保密通信方面的發展潛力非常大。 深紫外LED的高調制帶寬、低功耗及設計靈活的特性使其在深紫外光通信領域受到越來越多的關注。目前，基于DUV μLED進行的無線光通信的研究中，紫外通信的帶寬和數據傳輸速率已經達到了前所未有的水平，調制帶寬最大可達960 MHZ。DUV μLED的運用提高了帶寬，但由于紫外光功率在大氣中的快速衰減，當數據傳輸范圍較遠時，傳輸速率會下降。因此保證大的調制帶寬的同時提高深紫外μLED的光輸出功率，是DUV μLED光通信系統獲得高速傳播的關鍵。當深紫外LED尺寸變小時，會使調制帶寬變大，但是其有源區面積的減少也導致相同電流密度下光功率急劇下降。而低的發光效率，帶來了自發熱效應嚴重，在大注入電流下存在嚴重的由于熱而引起的功率下降。這將導致器件無法工作在大的注入電流下，從而無法實現單芯片高功率的輸出。因此，本文系統回顧了深紫外μLED在日盲光通信里面的應用和當今發展的現狀，詳細介紹了尺寸效應對深紫外μLED在光電熱等方面的影響及物理機制，并對提高μLED的光提取效率與散熱的幾種方法進行詳細的闡述。

主要內容

尺寸會嚴重影響μLED的調制帶寬。由于μLED比大尺寸LED的尺寸減少，且整體表面積-體積比增加，因此μLED具有較低的電容、較好的散熱效應和良好的電流擴展，所以μLED可以承受更高的電流密度。從而縮短載流子復合壽命，因此小尺寸μLED獲得更高的調制帶寬。其次，μLED尺寸嚴重影響芯片的IV特性曲線。隨著芯片整體直徑(D)減小從而導致串聯電阻增加，串聯電阻近似與D-2成正比。即相同工作電流下，小尺寸的芯片工作電壓急劇升高。但是考慮電流密度的話，在相同工作電壓下，小尺寸的器件電流密度更大，這是由于器件整體面積減小的原因，如圖1(a)和(b)所示。另外 ，LED器件的漏電流具有尺寸依賴性。隨著芯片尺寸的減少，刻蝕臺面而引起的側壁缺陷所占有的整個芯片的面積將急劇增加，如圖1(c)所示。由于臺面邊緣的側壁缺陷會作為漏電流通道，并且引起嚴重的非輻射復合，所以臺面尺寸較小的LED的漏電流較大。因此，與大尺寸LED器件不同，由側壁缺陷引起的表面非輻射復合是μLED的不可忽略的影響因素。另外，隨著μLED的芯片尺寸減小，其光提取效率(LEE)能得到有效提升。這是由于更小的芯片尺寸能使光更快逃離，從而減少被芯片內部吸收材料的吸收概率。具有傾斜側壁結構的器件尺寸減小，使更多橫向傳輸的光子首先抵達到傾斜側壁而不是AlGaN與藍寶石的界面，從而使更多的光子被傾斜側壁散射到逃離錐里面，有效提高了光提取效率。另外，芯片尺寸對于光功率有非常重要的影響。隨著芯片尺寸的減小，在相同工作電流密度下，小尺寸器件整體的光功率比大尺寸器件要小。盡管尺寸減小，其光提取效率得到提升，但是小尺寸芯片好的電流擴展和高的側壁缺陷面積比，導致側壁缺陷引起的非輻射復合增加更大，從而使整體的光功率下降。但由于小尺寸器件面積更小，電流擴展效應更好的原因，它能承受更高的電流密度，有較高的光功率密度。除此之外，DUV μLED需要工作在高的工作電流密度下，且串聯電阻在高電流密度下會產生更多的焦耳熱，從而引起μLED效率的熱衰減。提高DUV μLED中高電流密度下的光功率，關鍵是提高光提取效率與解決器件的散熱問題，緩解材料光吸收發熱和串聯電阻發熱等自熱效應，同時提高芯片散熱特性，這對提升DUV μLED的最大光功率有著至關重要的作用。 圖1 (a) I–V特性曲線的尺寸依賴性；(b)相同電壓下電流密度的尺寸依賴性；(c)有側壁損傷的LED A、B、C的示意結構。LED A、B和C的可用面積比分別為85%、75%和36%。 光提取效率是限制DUV μLED光學性能主要限制因素之一。本文主要綜述利用n或者pAlGaN的表面結構，傾斜側壁結構及反射鏡的設計這三方面增加光提取效率的有效方法。另外，本文綜述了改善μLED器件熱性能的方法，包括降低DUV μLED器件的串聯電阻，提高金屬電極的反射率以及利用陣列結構增加芯片的側壁面積等方法提高散熱。 圖2 (a)四種不同結構的DUV LED結構圖；(b)器件1；(c)器件2；(d)器件3的TM光截面電場分布及光傳播路徑圖 ? ?

結論與展望

本文工作系統綜述了DUV μLED在無線光通信領域的研究現狀，分析器件尺寸效應引起DUV μLED的調制特性，光提取效率，電流電壓特性，光功率特性及側壁缺陷比例變化特性及其物理機制。隨著器件尺寸的減小，電流擴展效應會變的更好，可承受的電流密度增加，光功率密度也會增加。并且由于電流密度的增加，載流子復合壽命會縮短，從而提高在無線光通信應用中的調制帶寬。但在大電流密度工作下的μLED熱效應加劇，且臺面面積變小也加大了器件的串聯電阻。將μLED設計成合理的DUV μLED陣列結構會加大整體臺面面積，降低串聯電阻，提高散熱能力以及光輸出功率，但是并聯的深紫外μLED陣列結構明顯是又增加了整體器件的電容，并不能完全發揮μLED高的調整帶寬的特性。采取μLED串聯形式能有效的保留高的調制帶寬，但自熱效應會較高，效率熱下降嚴重，無法實現輸出光功率最大化。因此最重要的是提高單個DUV μLED的性能，提高LEE，減少光吸收產生的熱量，改善動態電阻，同時增加散熱。在器件側壁沉積鈍化層和金屬會起到散熱作用。此外，與傳統尺寸DUV LED相比，μLED側壁缺陷是不可忽略的。隨著尺寸的減小，μLED側壁缺陷會更加嚴重，導致嚴重的非輻射復合，降低μLED效率。目前通過鈍化層和化學處理等方法來抑制側壁缺陷，并通過控制電流擴展來抑制側壁缺陷引起的非輻射復合，提升μLED的效率。但在提高器件光提取效率和散熱性的研究方面，仍需要投入大量的研究精力。

審核編輯：彭菁