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开发高效、可靠的 UV LED

2019/5/15 11:02:10     

 UV LED 的性能通过减低其位错密度、提升光提取效率和强化热管理得以改善

 

作者:NEYSHA LOBO PLOCHUV PHOTONICS 和费迪南德-布劳恩研究所)

      MICHAEL KNEISSL(柏林工业大学和费迪南德-布劳恩研究所)

 

UV LED 正在获得越来越广泛的应用,从水、空气和表面消毒到医疗诊断、光疗和各种材料的固化等均在其列。促成该器件取得成功的是其相对于现用光源(汞灯)所具备的优越属性。UV LED 可以瞬间接通和关断,它在工作状态下不会发热,拥有环保和抗辐射的特点,而且其发射光谱范围是可选择的,以覆盖几乎整个 UVAUVB UVC 波长范围。更重要的是,它具有低工作电压、紧凑的尺寸和坚固性,因而使其成为便携式电池供电应用的理想选择。

 

尽管拥有上述诸多长处,但是 UV LED 的销售收入与汞灯比起来仍然是相形见绌。部分原因是这类器件的制造技术还处于初期阶段,大规模制造尚未开始。

 

另外,还存在与性能相关的其他问题。UV LED 的转换效率远低于蓝光 LED,在 UVB UVC 波长范围内低于 10%。而且寿命短得多:UVC LED 的持续工作时间可能只有几千小时,甚至区区几百小时。这些弱点增加了与拥有和维护相关的成本,并阻碍其成为一项在商业上获取成功、得到广泛应用的技术。

 

为了提高 UV LED 的商业可行性,必需延长寿命并改善电光转换效率和外部量子效率。好消息是,大多数情况下,这几种特性的数值不会受到基本物理极限的抑制,而是可通过改进制造工艺实现提高。

 

开发高效率器件

 

UVphotonics,通过与柏林工业大学 (TU Berlin) 和费迪南德-布劳恩研究所(FBH) 共同建立的 GaN 光电子联合实验室进行合作,我们正在努力解决 UV LED 所存在的这些主要弱点。我们的工作专注于提高采用 MOCVD 工艺生长、并在 UVB UVC 波长范围内发射能量的器件的效率和可靠性。我们制作的器件的发射波长覆盖范围为 340 nm 218 nm(见图 1)。

 

为了推动开发成本更低、功能更强大和寿命更长的器件,我们正在评估和优化 LED 制造过程的每一步,从具有各种材料成分的不同半导体层(其构成了 LED 异质结构)的生长到个别芯片的封装都包含其中。

 

对于所有的 UV LED 制造商来说,第一个需要做出的决定是选择哪种衬底。我们选择的是蓝宝石:它是光学透明的,成本低,可提供的最大直径达 8 英寸。

 

蓝宝石的缺点是它与 UV LED AlGaN 层具有很大的晶格失配。在晶体生长过程中,这导致在界面上形成穿透位错。假如这些缺陷传播到生成光的活性区,它们就会充当无辐射复合中心,因而阻碍器件效率的提高。从仿真和试验结果来看,这种影响是非常严重的:当穿透位错密度从 1 x 109 cm-2 增至 5 x 109 cm-2 时,280 nm LED 的输出功率会锐减 50% 以上。

 

为了降低 UVB LED 中的穿透位错的不良影响,我们使用了厚的 AlN 层,跟随其后的是由交替的 GaN AlN 薄层组成的应力管理部分。当采用此方法时,穿透位错密度约为 3 x 109 cm-2

 

在更短的波长上,位错对于效率的危害更大。为防止产生这种问题,我们的 UVC LED 的制造以外延横向过生长为起点,旨在把穿透位错密度降低至 1 x 109 cm-2 左右。

 

目前,我们正在研究其他有前途的成本效益型方法以降低穿透位错密度。这些方法包括将 AlN 薄膜溅射到蓝宝石衬底上,然后在高温条件下退火,以获得高质量的结晶层。

 

我们的 UV LED 结构的生长始于硅掺杂 n AlGaN 层,它必须将发射波长上的光透明性与用于实现均匀横向电流散布的高导电性相结合。位于其后的是活性区,包含了若干个 AlGaN InAlGaN 量子阱,接下去是一个电子阻挡层(其作用是阻止电子从活性区逸出)和一个高导电性掺镁 p AlGaN 层(用于空穴注入)。

 

运用标准光刻法将这些 LED 外延片加工成横向几何结构器件。随后是激光划片和切片工艺,以制成单独的裸片。通过采用这种方法,我们造出了在 350 mA 电流条件下输出功率达 30 mW 310 nm UVB LED。在老化之后,推测的寿命(按照输出功率减半所需的时间来估算)为 8,000 小时。

 

正如预计的那样,波长较短时的输出功率降低:在位于 UVC 波长范围内的 265 nm,我们的器件在 350 mA 时可提供 25 mW 的输出功率。而在更短的 233 nm 波长上,100 mA 时的输出功率则仅为 0.3 mW。需要注意的是,这个结果是采用世界上最早推出的全封装型 UVC LED 中的一款在这么短的波长上产生单个发射峰值时获得的。

 

把光取出来

 

在每个 LED 中,并不是所有在活性区内生成的光都离开芯片。但是,这种情况在 UV LED 中更加严重,因为 AlGaN 层的高折射率增加了总的内部反射,从而在器件内部导致了 UV 光吸收量的上升。特别地,在金属触点和 p-AlGaN 空穴注入层上会发生光丢失。

 

UV LED 的另一个问题是光提取效率受到 族氮化物价带结构变化的影响。当发射波长由于量子阱中铝含量的增加而减小时,发射光的偏振发生变化。在较长的波长上,发射主要是横向电性偏振(相对于面向 (0001) c 平面的蓝宝石衬底的表面法向),但是,当发射波长进一步深入 UV 范围时,偏振变成以横向磁性为主。这种取向导致从芯片提取光的效率较低。

 

大量的试验和理论研究结果表明,偏振从横向电性切换至横向磁性时的波长在 240 nm 附近。不过,这个渡越点可通过改变衬底取向以及量子阱内的应变和量子限制进行移位。

 

对于未配备任何光提取功能的典型 UVB LED,仿真结果显示:在活性区中生成的光只有 8% 离开了芯片。这个数值在较短的波长上则更小。因此,光提取技术对于实现高效率器件是至关重要的。

 

我们的团队正在开发两种用于提升光提取效率的方法:结合了一个反射式低电阻 p 金属触点的透明 p 电流散布层(例如:连同一个铝反射器的透明 ITO 层);以及在图形化蓝宝石衬底上的晶体生长。使用后一种方法时,通过增加光的直接提取以及 LED 中光子角分布的随机化,升高了光提取效率。

 

封装方面存在的瓶颈

 

低电光转换效率不利的一面并不限于低输出功率。从芯片提取的光越少,在芯片内部产生的热量就越多。这是个大问题,因为较高的温度会损害 LED 的电特性和光特性,而且还将加速其性能的退化。

 

防止 UV LED 芯片发生过热的最常用方法是采用倒装焊芯片技术将低导热性蓝宝石裸片键合至一种能够吸走热量的材料。通过运用该方法,裸片以外延片侧面朝下的方式键合,从而使热量能够高效地传递至金属焊盘(见图 2)。

 

如果把这种倒装式芯片器件与常用于可见光 LED 的廉价、容易采购、且导热性有限的氧化铝陶瓷封装相组合,可能会是一个错误。其中一种正在为深 UV LED 开发的较新型封装要好得多,该封装采用 AlN 陶瓷层,具有 150170 W m-1 K-1 的导热系数。

 

但是,以上这些封装还很不理想。它们不仅价格昂贵,每片售价超过 1 美元,而且很难与铝制 UV 反射器实现集成化。此外,器件封装也是很棘手的,因为当暴露在高能量 UV 光子之下时,可见光 LED 中使用的大多数最先进的高折射率透明硅树脂和环氧树脂都是不稳定的。

 

鉴于存在这些问题,因此如今的封装型深 UV LED 往往包括了 UV 透明石英窗或石英透镜。这不仅拉高了成本,而且还会增加制造的复杂性,原因在于将石英透镜集成到器件中是颇具挑战性的工作。显然,对于商业可行性而言,为深 UV LED 开发廉价的封装材料是至关重要的。

 

我们正在努力解决所有这些与热管理相关的问题。我们的方法包括在芯片与封装之间的首次互连中使用金钉头凸点的热压焊。我们采用电镀法将一个 15 μm 宽、8 μm 高的六角形钉头凸点阵列(凸点的分隔间距为 30 μm,见图 3)直接沉积在 LED 晶圆片上。由于金的导热系数为 320 W m-1 K-1,因此仿真结果显示,对于金属焊盘上的钉头凸点覆盖率为 20% 320 nm LED,该互连线的热阻可低至 7.15 K W-1。请注意,我们能够采用自己的电镀工艺在一颗完整的 2 英寸晶圆片上形成均匀的金钉头凸点沉积,而且这种做法可扩展到尺寸大得多的晶圆,以削减成本。

 

通过与我们在 CiS 微型传感器研究所的合作伙伴进行协作,我们正在为 UV LED 开发一种基于硅的封装(见图 4)。利用我们的合作者在硅技术方面拥有的出色专长,我们能够开发出兼具低热阻和多功能集成(例如:用于提高光提取效率的铝制反射器、用于防止静电损害的集成型二极管、以及监视传感器)的成本效益型封装。

 

接下来会发生什么?

 

UV 市场无疑处在上升通道,越来越多的公司为扩大销售展开了竞争。UVB UVC LED 的发展步伐大幅加快,业界专注的焦点将集中于开发旨在提高光提取效率的先进技术以及在热管理性能方面胜人一筹的成本效益型封装。

 

可以说,最大的两个问题是寿命和每瓦成本。为了确保 UV LED 系统对于实际应用的稳定性,寿命必需长得多。与此同时,尽管大约每毫瓦一美元的单位成本对于早期使用者来说可能足够好了,但是对于寿命长得多的器件而言,进入大规模市场将需要将单位成本大幅降低至每瓦一美元。

 

本文作者感谢德国联邦教育与研究部 (BMBF) Twenty 20 项目「面向生活的先进 UV (Advanced UV for Life) 中给予的支持。Advanced UV for Life 联盟汇集了 50 家德国工业和学术合作伙伴,他们共同致力于 UV LED 的开发和应用。这项工作由德国柏林的莱布尼茨联合会费迪南德-布劳恩研究所负责协调。

 

 

  

附:UV 光源的应用

 

有许多应用可由工作在 UVA(315 nm 至 400 nm)、UVB(280 nm 至 315 nm)和 UVC(100 nm 至 280 nm)波长范围内的 LED 提供支持。

在 UVA 和 UVB 波长范围内发射能量的 LED 可用于树脂和聚合物的工业固化,这是一种使物体表面变硬并能生产耐磨产品的工艺。不过,UVB LED 的主要应用是治疗诸如银屑病和白癜风等皮肤病的光疗,以及用于植物次生物质针对性触发的植物生长照明。

对于 UVC LED 来说,最大的市场是水、空气和表面消毒。这里,发射电路的快速接通以及电子式调光能力和紧凑型尺寸为设计专门针对大规模应用和小型移动系统而定制的节能型系统提供了独特的优势。对于非常短波长的 UVC LED,也存在着与非视距通信及引力传感器领域中的基本科学实验相关的市场机遇。

UVB 和 UVC LED 的其他市场机遇包括气体(例如:SO2、一氧化二氮和氨)的检测以及 DNA、RNA 和其他生物分子的分析。

  

 

1:在柏林工业大学 (TU Berlin) 和柏林费迪南德-布劳恩研究所 (FBH Berlin) 共同建立的 GaN 光电子联合实验室里制作、基于族氮化物的 UV LED 的归一化发射光谱(版权所有:TU Berlin

 

2:采用倒装式芯片安装并基于 族氮化物的 UV LED 裸片。(版权所有:TU Berlin

 

3:单颗 UVB LED 芯片(具有利用晶圆级上的电镀工艺沉积的金钉头凸点)。(版权所有:FBH / schurian.com

 

 

4:安装在硅封装中的 320 nm LED 倒装式芯片。该封装由德国 CiS 微型传感器研究所开发(版权所有:CiS

 

 

扩展阅读

N. Susilo et al. Appl. Phys. Lett. 112 041110 (2018)

F. Mehnke et al. IEEE J Sel Top Quantum Electron. 23 1 (2017)

T. Kolbe et al. Materials 10 1396 (2017)

J. Rass et al. Proc. SPIE 9363 93631K (2015)

C. Reich et al. Appl. Phys. Lett. 107 142101 (2015)

J. Glaab et al. J. Appl. Phys. 123 104502 (2018)

M. Kneissl, J. Rass (Eds.), III-Nitride Ultraviolet Emitters-Technology

and Applications, Springer Series in Materials Science, ISBN 978-3-

319-24098-5 (2016)


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