紫外光不是不可见吗？五颜六色的UVLED怎么来的？

发布时间：2021-06-01 17:29 来源：萤光创新

  UVLED 按照发光峰波段可划分为：UVC，波长峰值（WLP）在200-280nm波段；UVB在 280-320nm波段；UVA在320-400nm波段。其中，UVB和UVC波段的紫外光本身是肉眼不可见的，但很多UVC芯片都会发出肉眼可见的光线，光线呈现蓝色、紫色、白色、黄色等，出现光色不一的问题。这种问题在蓝绿光LED不明显，主要是因为蓝绿光LED工作状态的亮度非常高且波长变化引起的视觉光色差异较小，而在UVLED应用中非常常见甚至是无法避免的。
  不过，蓝绿光LED主要应用为照明、背光源、景观等，视觉观察是评价其优劣的重要依据，而UVLED芯片多为功能性应用，评价以功能实现为依据，因此光色不一的问题并不是UVLED面临的主要问题。
  但即便如此，UVLED光色不一的问题仍然需要我们对其进行深入的分析，光线颜色通常受到外延结构影响较大，以下针对UVLED的光色问题进行外延材料的机理剖析。
  视觉光色不一的直接原因就是光谱不同
  目前UVC LED主流发光波长峰值（WLP）为270nm-280nm，其光谱如图一所示，峰值最高为278nm，两边逐渐降低。长波方向，当波长达到可见光范围的380nm以上（紫色圈处），仍有一定的强度，这部分光线会被人眼接收，呈现出微弱的紫色光；如果波长达到460nm（蓝色圈处）还有一定的强度，会呈现出微弱的蓝紫光。如果蓝光区域的光强度接近甚至超过紫光区域的强度，则会呈现出微弱的蓝光。

图一 UVC芯片光致发光谱

  （一）光谱半高宽
  光谱半高宽影响芯片发光颜色主要是UVA波段。蓝绿光均为可见光且亮度非常高，UVC和UVB光线不可见，UVA则是有一部分光为可见光，可见光的比例很大程度上影响了其发光颜色，因此UVA波段光谱半宽对于发光颜色影响更加明显，如图二（a）所示，半高宽（FMHW）较小，发光颜色会偏紫；图二（b）的光谱FMHW较大，发光颜色会偏蓝。
  同样，FMHW的大小也会体现在主波长数据上，大部分情况下，FMHW越大，主波长也越大，发光颜色会偏长波长。

图二a 光谱半宽小，发光颜色偏紫

图三不同光谱半宽的光致发光谱（b 光谱半宽大，发光颜色偏蓝）

量子阱的阱宽是决定发光光谱的其中一个因素，阱宽波动导致光谱半宽大。工艺过程控制出现偏差会引起阱宽的变化，如温度、MO源饱和蒸气压、III族元素组分等因素变化都会引起生长速率的变化，从而导致阱宽出现变化。如果材料中不同位置的阱宽差异明显，或同一位置不同外延层的阱宽差异明显，就会出现光谱半宽大的问题。此外，阱层掺杂、极化场等也会引起光谱半宽大的问题。

图四阱宽波动透射电镜图片

  （二）深能级发光
  III族/V族化合物制作的LED产品，蓝绿光LED、紫光LED、UV LED等芯片光谱中，黄光带是一直存在的，其波峰在550nm左右，强度很低，但是人眼对550nm波长的感官最强烈，因此黄光带很容易被人眼捕捉到。
  UVC产品工作波长肉眼不可见，因此黄光带会更加容易被捕捉到，使产品呈现出微弱的黄光。黄光带的来源一直没有明确的定论。

图五UVA芯片的黄光带光谱

  肉眼感知的黄光强度与芯片的亮度没有绝对的对应关系。芯片的发光越强，黄光带受到短波长激发而发出的光线也越强；同时黄光带吸收掉过多的工作波长。
  （重点）：如果黄光带强度较高，芯片发光颜色会直接显示黄色；如果黄光带强度较低，远低于光谱中的蓝光和紫光部分，那么黄光会与蓝光紫光混合发出白色的光线。
  以上这种因光谱导致的发光颜色差异大都可以体现在主波长数据上，发光颜色为紫色的芯片主波长应在430nm以下，发光颜色为蓝色的芯片主波长应在450nm以上，发光颜色偏黄的主波长可能达到500nm。
  很多研究将黄光带的来源归咎于深能级，而其中Ga空位、Mg、C等受到关注最多[1,2]。比如C污染，因生长过程中使用的金属源为有机物，因此不可避免会有C原子进入材料中，而这种C原子或与N原子结合，或进入间隙，形成C深能级，提供了黄光带的发光源。通过二次离子质谱（SIMS）和X射线能谱（XPS）测试分析可以看出，材料中C的密度还是很高的，达到1E17cm-3。通常情况下，C比例较大的材料，黄光带更加明显。

图六不同C组分材料的SIMS及EDS数据

此外，LED中亦常见与Mg掺杂有关的蓝光带发光，一些研究表明p-GaN中Mg的深能级位于GaN导带底-0.2eV位置，因此光谱在390nm左右，因此会使UV LED芯片，尤其是UVC LED芯片呈现出蓝紫色的光色。
除此之外，还有一些杂质、间隙等缺陷[3-5]，如Fe杂质、Ga间隙原子、H络合物、有机物分子等，也包括一部分C间隙或者络合物，这些缺陷中大部分是常规的测试分析难以捕捉到的，但同时也是MOCVD生长过程中无法避免的。研究表明，在GaN材料中，这些缺陷形成了两个较为明显的深能级带，一个能级位于GaN导带底-0.5eV左右的位置，发光波峰在420nm-440nm之间。这种缺陷对发光颜色的影响较为明显，UV LED芯片受到这种深能级发光影响，发光颜色会呈现出蓝紫色或蓝色。另一个则位于黄光带光谱位置，被认为是引起黄光带的原因之一。