在半导体照明领域，深紫外LED（UVC LED）因其在杀菌消毒、空气净化、水处理等领域的广泛应用而备受关注。然而，其低外部量子效率（EQE）长期以来限制了商业化进程。近期，中国研究团队通过优化氮化铝（AlN）模板层的制备策略，在蓝宝石基板上取得重大突破，大幅提升了UVC LED的性能，推动产业向高效低成本方向发展。
一、UVC LED的技术瓶颈与研究背景
UVC LED采用铝镓氮（AlGaN）材料，但由于AlGaN与蓝宝石基板之间存在晶格失配和热失配问题，导致材料内部产生高密度位错及界面缺陷。这些结构性缺陷不仅影响晶体质量，还降低了载流子复合效率，从而显著限制了器件的发光效率。
为了克服这些挑战，研究人员致力于提升AlN作为模板层的质量，以减少位错密度，提高UVC LED的光电转换性能。
二、AlN模板的创新制备策略
研究团队在蓝宝石基板上采用三种不同方法制备AlN缓冲层，并借助金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺，实现了无裂纹、应力受控的高质量AlN薄膜。
1. AlN-I方法：外延层再生长（ELO）
通过三维生长机制减少缺陷密度，但位错密度仍高达5.1×10⁹/cm²，表面粗糙度6.69nm。
2. AlN-II方法：溅射成核层（sp-NL）+高温退火
该方法在蓝宝石基板上沉积12nm的溅射成核层（sp-NL），并采用高温退火优化结构，使位错密度降低至2.8×10⁹/cm²，表面粗糙度下降至1.21nm。
3. AlN-III方法：铟（In）掺杂增强二维生长
在AlN-II方法基础上引入铟（In）掺杂，利用铟原子降低Ehrlich–Schwoebel势垒，促进AlN的二维生长，并缓解晶格失配应力。最终，位错密度进一步降至1.5×10⁹/cm²，表面粗糙度仅0.49nm。
图 ：(a) AlN-I、(b) AlN-II 和 (c) AlN-III 的外延结构。(d) AlN-III 的生长条件和 (e) 铟调制的潜在机制的示意图。
三、铟掺杂机理与UVC LED性能提升
铟掺杂是AlN-III方法的关键创新点。由于铟-氮（In-N）键能远弱于铝-氮（Al-N）键能，铟原子可促进AlN表面扩散，形成更平整的薄膜，同时拉伸AlN晶格，减少AlGaN与模板之间的失配。
实验数据显示，基于AlN-III模板的UVC LED（LED-C）在电学和光学性能方面均优于其他方法。
表：LED-A、LED-B和LED-C的测量正向电压(VF)、光输出功率(LOP)和外部量子效率(EQE)
LED-C样品的正向电压更低（6.07V），光输出功率提升至19.1mW，EQE达到4.1%，实现了突破性进展。
四、技术意义与产业化前景
通过优化AlN模板的制备策略，本研究不仅显著提升了UVC LED的发光效率，也为环保型杀菌光源提供了关键技术支持。这种高性能UVC LED在医疗、食品加工、空气净化等领域的应用潜力巨大。
五、未来发展方向
尽管铟掺杂显著提升了UVC LED的性能，但晶格失配问题仍未完全解决，未来研究可进一步优化材料生长工艺，提升器件的稳定性。此外，降低制造成本，提高大规模生产的良率，将是实现商业化的重要挑战。
六、行业动态与市场前景
1. 国内外研究进展
- 中科大iGaN团队提出基于深紫外micro-LED阵列的无掩膜光刻技术，大幅提升micro-LED的发光效率。
- 武汉大学周圣军团队通过AlGaN基超薄隧道结技术，提升深紫外LED的电光转换效率5.5%。
2. 市场前景与企业布局
- 日亚化学预计2024年深紫外LED WPE达7.5%，280nm设备光功率150mW。
- Crystal IS在265nm波段，500mA电流下单芯片光输出功率达到160mW。
- Violumas 265nm UVC LED 130mW，L70寿命达13,000小时。
- 中科潞安265-280nm 30-35mW产品量产，电光转换效率达6%。
- 优炜芯270-280nm 100mA下光功率40-50mW，老化1000小时后光功率维持率达90%。
- 至芯半导体外量子效率超7%，40mil芯片光功率超过200mW。
- 安芯美275nm 30mW@100mA，L70预估寿命10,000小时以上。
七、结语
中国研究团队在深紫外LED领域的技术突破，不仅推动了学术研究的发展，也增强了产业化应用的可行性。随着制造工艺的不断优化，UVC LED有望在更多领域发挥重要作用，为人类健康和环境保护提供更高效的技术支持。
本研究不仅为UVC LED的商业化应用奠定了重要基础，也为半导体照明行业的技术创新指明了方向。未来，随着行业巨头的持续投入和技术进步，高效、长寿命、低成本的UVC LED解决方案将成为市场主流，推动整个行业进入新发展阶段。
