紫外光不是不可見嗎？五顏六色的UV LED怎么來的？

導讀

UVB和UVC等深紫外光本身是肉眼不可見的，但很多UVC芯片都會發出肉眼可見的光線，光線呈現藍色、紫色、白色、黃色等，出現光色不一的問題。

文章來源：中科潞安團隊

UV LED按照發光峰波段可劃分為：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芯片都會發出肉眼可見的光線，光線呈現藍色、紫色、白色、黃色等，出現光色不一的問題。這種問題在藍綠光LED不明顯，主要是因為藍綠光LED工作狀態的亮度非常高且波長變化引起的視覺光色差異較小，而在UV LED應用中非常常見甚至是無法避免的。

不過，藍綠光LED主要應用為照明、背光源、景觀等，視覺觀察是評價其優劣的重要依據，而UV LED芯片多為功能性應用，評價以功能實現為依據，因此光色不一的問題并不是UV LED面臨的主要問題。

但即便如此，UV LED光色不一的問題仍然需要我們對其進行深入的分析，光線顏色通常受到外延結構影響較大，以下針對UV LED的光色問題進行外延材料的機理剖析。

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，當波長達到可見光范圍的380nm以上（紫色圈處），仍有一定的強度，這部分光線會被人眼接收，呈現出微弱的紫色光；如果波長達到460nm（藍色圈處）還有一定的強度，會呈現出微弱的藍紫光。如果藍光區域的光強度接近甚至超過紫光區域的強度，則會呈現出微弱的藍光。

圖一 UVC芯片光致發光譜

（一）光譜半高寬

光譜半高寬影響芯片發光顏色主要是UVA波段。藍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光顏色，因此UVA波段光譜半寬對于發光顏色影響更加明顯，如圖二（a）所示，半高寬（FMHW）較小，發光顏色會偏紫；圖二（b）的光譜FMHW較大，發光顏色會偏藍。

同樣，FMHW的大小也會體現在主波長數據上，大部分情況下，FMHW越大，主波長也越大，發光顏色會偏長波長。

a 光譜半寬小，發光顏色偏紫

b 光譜半寬大，發光顏色偏藍圖二 不同光譜半寬的光致發光譜

量子阱的阱寬是決定發光光譜的其中一個因素，阱寬波動導致光譜半寬大。工藝過程控制出現偏差會引起阱寬的變化，如溫度、MO源飽和蒸氣壓、III族元素組分等因素變化都會引起生長速率的變化，從而導致阱寬出現變化。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，就會出現光譜半寬大的問題。

圖三 阱寬波動透射電鏡圖片

此外，阱層摻雜、極化場等也會引起光譜半寬大的問題。

（二）深能級發光

III族/V族化合物制作的LED產品，藍綠光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，強度很低，但是人眼對550nm波長的感官最強烈，因此黃光帶很容易被人眼捕捉到。UVC產品工作波長肉眼不可見，因此黃光帶會更加容易被捕捉到，使產品呈現出微弱的黃光。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

肉眼感知的黃光強度與芯片的亮度沒有絕對的對應關系。芯片的發光越強，黃光帶受到短波長激發而發出的光線也越強；同時黃光帶吸收掉過多的工作波長。

（重點）：如果黃光帶強度較高，芯片發光顏色會直接顯示黃色；如果黃光帶強度較低，遠低于光譜中的藍光和紫光部分，那么黃光會與藍光紫光混合發出白色的光線。

以上這種因光譜導致的發光顏色差異大都可以體現在主波長數據上，發光顏色為紫色的芯片主波長應在430nm以下，發光顏色為藍色的芯片主波長應在450nm以上，發光顏色偏黃的主波長可能達到500nm。

很多研究將黃光帶的來源歸咎于深能級，而其中Ga空位、Mg、C等受到關注最多[1,2]。比如C污染，因生長過程中使用的金屬源為有機物，因此不可避免會有C原子進入材料中，而這種C原子或與N原子結合，或進入間隙，形成C深能級，提供了黃光帶的發光源。通過二次離子質譜（SIMS）和X射線能譜（XPS）測試分析可以看出，材料中C的密度還是很高的，達到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數據

此外，LED中亦常見與Mg摻雜有關的藍光帶發光，一些研究表明p-GaN中Mg的深能級位于GaN導帶底-0.2eV位置，因此光譜在390nm左右，因此會使UV LED芯片，尤其是UVC LED芯片呈現出藍紫色的光色。

除此之外，還有一些雜質、間隙等缺陷[3-5]，如Fe雜質、Ga間隙原子、H絡合物、有機物分子等，也包括一部分C間隙或者絡合物，這些缺陷中大部分是常規的測試分析難以捕捉到的，但同時也是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較為明顯的深能級帶，一個能級位于GaN導帶底-0.5eV左右的位置，發光波峰在420nm-440nm之間。這種缺陷對發光顏色的影響較為明顯，UV LED芯片受到這種深能級發光影響，發光顏色會呈現出藍紫色或藍色。另一個則位于黃光帶光譜位置，被認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.