UVB和UVC等深紫外光本身是肉眼不可見的，但很多UVC芯片都會(huì)發(fā)出肉眼可見的光線，光線呈現(xiàn)藍(lán)色、紫色、白色、黃色等，出現(xiàn)光色不一的問題。

文章來源：中科潞安團(tuán)隊(duì)

中科潞安致力于建設(shè)國際領(lǐng)先的紫外LED光源生產(chǎn)企業(yè)，擁有紫外LED領(lǐng)域的多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和核心專利技術(shù)，范圍涵蓋了從設(shè)備制造、外延生長到芯片制造等產(chǎn)業(yè)鏈上各環(huán)節(jié)，可提供UVA、UVB、UVC等全波段UV LED系列產(chǎn)品，公司還自主研發(fā)了多款具有世界領(lǐng)先水平的高溫MOCVD設(shè)備，為產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供核心技術(shù)支撐。

UVLED按照發(fā)光峰波段可劃分為：UVC，波長峰值（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見的，但很多UVC芯片都會(huì)發(fā)出肉眼可見的光線，光線呈現(xiàn)藍(lán)色、紫色、白色、黃色等，出現(xiàn)光色不一的問題。這種問題在藍(lán)綠光LED不明顯，主要是因?yàn)樗{(lán)綠光LED工作狀態(tài)的亮度非常高且波長變化引起的視覺光色差異較小，而在UVLED應(yīng)用中非常常見甚至是無法避免的。

不過，藍(lán)綠光LED主要應(yīng)用為照明、背光源、景觀等，視覺觀察是評(píng)價(jià)其優(yōu)劣的重要依據(jù)，而UVLED芯片多為功能性應(yīng)用，評(píng)價(jià)以功能實(shí)現(xiàn)為依據(jù)，因此光色不一的問題并不是UVLED面臨的主要問題。

但即便如此，UVLED光色不一的問題仍然需要我們對(duì)其進(jìn)行深入的分析，光線顏色通常受到外延結(jié)構(gòu)影響較大，以下針對(duì)UVLED的光色問題進(jìn)行外延材料的機(jī)理剖析。

視覺光色不一的直接原因就是光譜不同

目前UVC LED主流發(fā)光波長峰值（WLP）為270nm-280nm，其光譜如圖一所示，峰值最高為278nm，兩邊逐漸降低。長波方向，當(dāng)波長達(dá)到可見光范圍的380nm以上（紫色圈處），仍有一定的強(qiáng)度，這部分光線會(huì)被人眼接收，呈現(xiàn)出微弱的紫色光；如果波長達(dá)到460nm（藍(lán)色圈處）還有一定的強(qiáng)度，會(huì)呈現(xiàn)出微弱的藍(lán)紫光。如果藍(lán)光區(qū)域的光強(qiáng)度接近甚至超過紫光區(qū)域的強(qiáng)度，則會(huì)呈現(xiàn)出微弱的藍(lán)光。

圖一 UVC芯片光致發(fā)光譜

（一）光譜半高寬

光譜半高寬影響芯片發(fā)光顏色主要是UVA波段。藍(lán)綠光均為可見光且亮度非常高，UVC和UVB光線不可見，UVA則是有一部分光為可見光，可見光的比例很大程度上影響了其發(fā)光顏色，因此UVA波段光譜半寬對(duì)于發(fā)光顏色影響更加明顯，如圖二（a）所示，半高寬（FMHW）較小，發(fā)光顏色會(huì)偏紫；圖二（b）的光譜FMHW較大，發(fā)光顏色會(huì)偏藍(lán)。

同樣，F(xiàn)MHW的大小也會(huì)體現(xiàn)在主波長數(shù)據(jù)上，大部分情況下，F(xiàn)MHW越大，主波長也越大，發(fā)光顏色會(huì)偏長波長。

a 光譜半寬小，發(fā)光顏色偏紫

b 光譜半寬大，發(fā)光顏色偏藍(lán)

圖二 不同光譜半寬的光致發(fā)光譜

量子阱的阱寬是決定發(fā)光光譜的其中一個(gè)因素，阱寬波動(dòng)導(dǎo)致光譜半寬大。工藝過程控制出現(xiàn)偏差會(huì)引起阱寬的變化，如溫度、MO源飽和蒸氣壓、III族元素組分等因素變化都會(huì)引起生長速率的變化，從而導(dǎo)致阱寬出現(xiàn)變化。如果材料中不同位置的阱寬差異明顯，或同一位置不同外延層的阱寬差異明顯，就會(huì)出現(xiàn)光譜半寬大的問題。

圖三阱寬波動(dòng)透射電鏡圖片

此外，阱層摻雜、極化場(chǎng)等也會(huì)引起光譜半寬大的問題。

（二）深能級(jí)發(fā)光

III族/V族化合物制作的LED產(chǎn)品，藍(lán)綠光LED、紫光LED、UV LED等芯片光譜中，黃光帶是一直存在的，其波峰在550nm左右，強(qiáng)度很低，但是人眼對(duì)550nm波長的感官最強(qiáng)烈，因此黃光帶很容易被人眼捕捉到。

UVC產(chǎn)品工作波長肉眼不可見，因此黃光帶會(huì)更加容易被捕捉到，使產(chǎn)品呈現(xiàn)出微弱的黃光。黃光帶的來源一直沒有明確的定論。

圖四UVA芯片的黃光帶光譜

肉眼感知的黃光強(qiáng)度與芯片的亮度沒有絕對(duì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。芯片的發(fā)光越強(qiáng)，黃光帶受到短波長激發(fā)而發(fā)出的光線也越強(qiáng)；同時(shí)黃光帶吸收掉過多的工作波長。

（重點(diǎn)）：如果黃光帶強(qiáng)度較高，芯片發(fā)光顏色會(huì)直接顯示黃色；如果黃光帶強(qiáng)度較低，遠(yuǎn)低于光譜中的藍(lán)光和紫光部分，那么黃光會(huì)與藍(lán)光紫光混合發(fā)出白色的光線。

以上這種因光譜導(dǎo)致的發(fā)光顏色差異大都可以體現(xiàn)在主波長數(shù)據(jù)上，發(fā)光顏色為紫色的芯片主波長應(yīng)在430nm以下，發(fā)光顏色為藍(lán)色的芯片主波長應(yīng)在450nm以上，發(fā)光顏色偏黃的主波長可能達(dá)到500nm。

很多研究將黃光帶的來源歸咎于深能級(jí)，而其中Ga空位、Mg、C等受到關(guān)注最多[1,2]。比如C污染，因生長過程中使用的金屬源為有機(jī)物，因此不可避免會(huì)有C原子進(jìn)入材料中，而這種C原子或與N原子結(jié)合，或進(jìn)入間隙，形成C深能級(jí)，提供了黃光帶的發(fā)光源。通過二次離子質(zhì)譜（SIMS）和X射線能譜（XPS）測(cè)試分析可以看出，材料中C的密度還是很高的，達(dá)到1E17cm-3。通常情況下，C比例較大的材料，黃光帶更加明顯。

圖五 不同C組分材料的SIMS及EDS數(shù)據(jù)

此外，LED中亦常見與Mg摻雜有關(guān)的藍(lán)光帶發(fā)光，一些研究表明p-GaN中Mg的深能級(jí)位于GaN導(dǎo)帶底-0.2eV位置，因此光譜在390nm左右，因此會(huì)使UV LED芯片，尤其是UVC LED芯片呈現(xiàn)出藍(lán)紫色的光色。

除此之外，還有一些雜質(zhì)、間隙等缺陷[3-5]，如Fe雜質(zhì)、Ga間隙原子、H絡(luò)合物、有機(jī)物分子等，也包括一部分C間隙或者絡(luò)合物，這些缺陷中大部分是常規(guī)的測(cè)試分析難以捕捉到的，但同時(shí)也是MOCVD生長過程中無法避免的。研究表明，在GaN材料中，這些缺陷形成了兩個(gè)較為明顯的深能級(jí)帶，一個(gè)能級(jí)位于GaN導(dǎo)帶底-0.5eV左右的位置，發(fā)光波峰在420nm-440nm之間。這種缺陷對(duì)發(fā)光顏色的影響較為明顯，UV LED芯片受到這種深能級(jí)發(fā)光影響，發(fā)光顏色會(huì)呈現(xiàn)出藍(lán)紫色或藍(lán)色。另一個(gè)則位于黃光帶光譜位置，被認(rèn)為是引起黃光帶的原因之一。

參考資料

(1) Neugebauera, J.; Walle, C. V. Appl. Phys. Lett. 1996, 69, 503.

(2) Kim M，Schubert M F，Dai Q，et a1．Origin of efficiency droop in GaN·based light—emitting diodes[J]．Appl．Phys．Lett．2007，91(18)：183507—1—3

(3) Li, Q. M; Wang, G. T. Nano Lett. 2010, 10, 1554?1558.

(4) Wang, G. T.; Talin, A. A.; Werder, D. J.; Creighton, J. R.; Lai, E.;Anderson, R. J.; Arslan, I. Nanotechnology 2006, 17, 5773.

(5) Seager, C. H.; Wright, A. F.; Yu, J.; Gotz, W. J. Appl. Phys. 2002,92, 6553.