深紫外μLED作为日盲紫外光通信光源的研究现状和综合分析

导读

实现深紫外光通信的一个关键器件是深紫外光源。早期深紫外光源利用高压汞灯实现，但汞灯的调制带宽非常小，这严重影响了深紫光通信的传输速率。随着 AlGaN 基深紫外发光二极管 (DUV LED) 的发展，其不仅在杀菌消毒领域得到广泛应用，在日盲紫外光通信领域的应用也受到越来越多的关注。与汞灯相比，深紫外LED具有功耗低、设计灵活且调制带宽高的优势。其带宽严重依赖于器件尺寸，器件尺寸越小，带宽越高。但是随着深紫外微型发光二极管(μLED)的尺寸减少，尽管其带宽得到提高，但是其光功率却急剧下降，这严重限制了深紫外μLED在光通信中的应用。本文主要总结了深紫外μLED作为日盲紫外光通信光源的研究现状和综合分析尺寸效应引起器件性能的变化及其机理；并总结分析出低的光提取效率和严重的自热效应是影响深紫外μLED光功率的两个主要因素。进而总结了各种提高深紫外μLED光提取效率和改善热学特性的方法。    

研究背景

无线光通信是依靠光辐射来传递信息，光的波长可以从红外到深紫外。而与长波长光通信相比，深紫外光通信具有许多优点。首先，在室内外进行的深紫外光无线通信的背景噪声可以忽略不计，紫外光通信的信噪比远高于长波长光通信；第二，由于紫外光在空气中的散射较强，紫外光通信无需具备一系列对准、跟踪和捕获等复杂路线设计，其能够以散射的方式直接实现非直视(NLOS)通信。此外，深紫外光的辐射功率随传输距离呈指数衰减，限制了信号传播，信号难以被远距离监听和截获。深紫外光通信在光通信，尤其是保密通信方面的发展潜力非常大。 深紫外LED的高调制带宽、低功耗及设计灵活的特性使其在深紫外光通信领域受到越来越多的关注。

目前，基于DUV μLED进行的无线光通信的研究中，紫外通信的带宽和数据传输速率已经达到了前所未有的水平，调制带宽最大可达960 MHZ。DUV μLED的运用提高了带宽，但由于紫外光功率在大气中的快速衰减，当数据传输范围较远时，传输速率会下降。因此保证大的调制带宽的同时提高深紫外μLED的光输出功率，是DUV μLED光通信系统获得高速传播的关键。当深紫外LED尺寸变小时，会使调制带宽变大，但是其有源区面积的减少也导致相同电流密度下光功率急剧下降。而低的发光效率，带来了自发热效应严重，在大注入电流下存在严重的由于热而引起的功率下降。这将导致器件无法工作在大的注入电流下，从而无法实现单芯片高功率的输出。因此，本文系统回顾了深紫外μLED在日盲光通信里面的应用和当今发展的现状，详细介绍了尺寸效应对深紫外μLED在光电热等方面的影响及物理机制，并对提高μLED的光提取效率与散热的几种方法进行详细的阐述。    

主要内容

尺寸会严重影响μLED的调制带宽。由于μLED比大尺寸LED的尺寸减少，且整体表面积-体积比增加，因此μLED具有较低的电容、较好的散热效应和良好的电流扩展，所以μLED可以承受更高的电流密度。从而缩短载流子复合寿命，因此小尺寸μLED获得更高的调制带宽。其次，μLED尺寸严重影响芯片的IV特性曲线。随着芯片整体直径(D)减小从而导致串联电阻增加，串联电阻近似与D-2成正比。即相同工作电流下，小尺寸的芯片工作电压急剧升高。但是考虑电流密度的话，在相同工作电压下，小尺寸的器件电流密度更大，这是由于器件整体面积减小的原因，如图1(a)和(b)所示。另外 ，LED器件的漏电流具有尺寸依赖性。随着芯片尺寸的减少，刻蚀台面而引起的侧壁缺陷所占有的整个芯片的面积将急剧增加，如图1(c)所示。由于台面边缘的侧壁缺陷会作为漏电流通道，并且引起严重的非辐射复合，所以台面尺寸较小的LED的漏电流较大。

因此，与大尺寸LED器件不同，由侧壁缺陷引起的表面非辐射复合是µLED的不可忽略的影响因素。另外，随着μLED的芯片尺寸减小，其光提取效率(LEE)能得到有效提升。这是由于更小的芯片尺寸能使光更快逃离，从而减少被芯片内部吸收材料的吸收概率。具有倾斜侧壁结构的器件尺寸减小，使更多横向传输的光子首先抵达到倾斜侧壁而不是AlGaN与蓝宝石的界面，从而使更多的光子被倾斜侧壁散射到逃离锥里面，有效提高了光提取效率。另外，芯片尺寸对于光功率有非常重要的影响。

随着芯片尺寸的减小，在相同工作电流密度下，小尺寸器件整体的光功率比大尺寸器件要小。尽管尺寸减小，其光提取效率得到提升，但是小尺寸芯片好的电流扩展和高的侧壁缺陷面积比，导致侧壁缺陷引起的非辐射复合增加更大，从而使整体的光功率下降。但由于小尺寸器件面积更小，电流扩展效应更好的原因，它能承受更高的电流密度，有较高的光功率密度。除此之外，DUV μLED需要工作在高的工作电流密度下，且串联电阻在高电流密度下会产生更多的焦耳热，从而引起μLED效率的热衰减。提高DUV μLED中高电流密度下的光功率，关键是提高光提取效率与解决器件的散热问题，缓解材料光吸收发热和串联电阻发热等自热效应，同时提高芯片散热特性，这对提升DUV μLED的最大光功率有着至关重要的作用。



图1 (a) I–V特性曲线的尺寸依赖性；(b)相同电压下电流密度的尺寸依赖性；(c)有侧壁损伤的LED A、B、C的示意结构。LED A、B和C的可用面积比分别为85%、75%和36%。 光提取效率是限制DUV μLED光学性能主要限制因素之一。本文主要综述利用n或者pAlGaN的表面结构，倾斜侧壁结构及反射镜的设计这三方面增加光提取效率的有效方法。另外，本文综述了改善μLED器件热性能的方法，包括降低DUV μLED器件的串联电阻，提高金属电极的反射率以及利用阵列结构增加芯片的侧壁面积等方法提高散热。



图2 (a)四种不同结构的DUV LED结构图；(b)器件1；(c)器件2；(d)器件3的TM光截面电场分布及光传播路径图    

结论与展望

本文工作系统综述了DUV μLED在无线光通信领域的研究现状，分析器件尺寸效应引起DUV μLED的调制特性，光提取效率，电流电压特性，光功率特性及侧壁缺陷比例变化特性及其物理机制。随着器件尺寸的减小，电流扩展效应会变的更好，可承受的电流密度增加，光功率密度也会增加。并且由于电流密度的增加，载流子复合寿命会缩短，从而提高在无线光通信应用中的调制带宽。

但在大电流密度工作下的μLED热效应加剧，且台面面积变小也加大了器件的串联电阻。将μLED设计成合理的DUV μLED阵列结构会加大整体台面面积，降低串联电阻，提高散热能力以及光输出功率，但是并联的深紫外μLED阵列结构明显是又增加了整体器件的电容，并不能完全发挥μLED高的调整带宽的特性。采取μLED串联形式能有效的保留高的调制带宽，但自热效应会较高，效率热下降严重，无法实现输出光功率最大化。因此最重要的是提高单个DUV μLED的性能，提高LEE，减少光吸收产生的热量，改善动态电阻，同时增加散热。

在器件侧壁沉积钝化层和金属会起到散热作用。此外，与传统尺寸DUV LED相比，μLED侧壁缺陷是不可忽略的。随着尺寸的减小，μLED侧壁缺陷会更加严重，导致严重的非辐射复合，降低μLED效率。目前通过钝化层和化学处理等方法来抑制侧壁缺陷，并通过控制电流扩展来抑制侧壁缺陷引起的非辐射复合，提升μLED的效率。但在提高器件光提取效率和散热性的研究方面，仍需要投入大量的研究精力。    

审核编辑：刘清