[发明专利]一种深紫外波段发光单片集成器件及制备方法

说明书

本发明提供一种深紫外波段发光单片集成器件，包括基于AlGaN材料的UVC LED单元组成的LED阵列，每个LED单元的n电极和p电极之间具有多量子阱层；在LED阵列中，第一类LED单元用于发光，第二类LED单元用于探测光；在第一类LED单元发光时，第二类LED单元产生的光电流与第一类LED单元的发光强度相对应，所述光电流用以反馈控制LED阵列的光输出强度和UVC辐射剂量。本发明还提供了上述深紫外波段发光单片集成器件的制备方法。本发明能够实时监测UVC LED光输出强度的变化，使UVC LED能够安全稳定地应用于日盲通信、医疗、航空航天等领域。

技术领域

本发明涉及半导体光电器件等领域，更具体涉及到发光和探测双重领域，特别涉及一种能实时自我监测并调节功率和剂量的深紫外波段发光单片集成器件及制备方法。

背景技术

近年来，光谱范围在200～280nm的深紫外发光二极管(UVC LEDs)在日盲通信、海洋防污、消毒灭菌、航空航天等应用中扮演着重要的角色而引起了人们极大的兴趣。DNA对于波长在250至270nm波长处的深紫外(UVC)光有最大的吸收，这使得UVC辐射成为杀菌消毒的有力者，例如可以有效灭活新型冠状病毒COVID-19。而发光二极管LED的发光强度在长时间的使用中可能会因为老化而降低，还会因为非辐射复合而随机波动，这种不可预测且随机的波动会影响UVC LED应用于某些如医疗、生物等需要持续的光输出强度的领域。并且深紫外光是不可见光，肉眼无法判断UVC LED是否正常工作，因此，能够实时监测UVC光输出变化的UVC光电探测器(Photodetector，PD)就显得尤为重要。目前现有的监测UVC光输出主要是通过传统的光电倍增管、硅基光电二极管等作为外部光电探测器来监测UVC光，增加了整个系统的体积、功耗、成本，降低了鲁棒性，削弱了LED固有的优势。

现有技术一为专利公开号CN 204207036 U的中国专利，其公开了一种深紫外杀菌装置及紫外线探测装置。该装置包括MCU处理器、深紫外检测模块、深紫外杀菌模块和深紫外状态显示模块，如图1所示。深紫外检测模块由紫外光区、可见光区、涂敷有荧光粉的石英玻璃片、可见光探头组成，通过深紫外光激发荧光粉发光，可见光探头将荧光粉发出的光信号传递给MCU处理器，MCU处理器进而控制显示模块的红光LED或绿光LED以标示紫外光是否正常工作。

现有技术一的缺点在于装置较为复杂，且检测具有一定的局限性。通过深紫外光激发荧光粉发光的方式判断UVC LED是否正常工作的检测方法，没有考虑荧光粉本身可能也存在失效的情况，判断标准不够全面；并且仅仅只能判断UVC LED是否正常工作，并不能定量确定LED光输出强度，无法大致确定UVC辐射剂量。

现有技术二为专利公开号CN 112151520 A的中国专利，其公开了单片集成结构的光电收发芯片、其制作方法与应用。该单片集成的光电收发芯片包括发光二极管与光探测器，发光二极管与光探测器之间设置有反射镜结构，从而避免发光二极管发射的光线向光探测器传输。首先在外延片上通过光刻、刻蚀等工艺制备LED，将LED的p面朝下与Si光探测器正面键合，采用减薄、研磨、湿法腐蚀等方法去除LED衬底和缓冲层；在n-GaN接触层上制备光增强的微纳结构；在n-GaN接触层上光刻、干法刻蚀等方法露出Si光探测器材料；通过光刻、刻蚀、沉积等工艺制备Si光探测器；对LED于Si光探测器进行电学隔离处理。

现有技术二是以不同的工艺在不同衬底上分别制备了LED和探测器，通过键合的方式实现LED与Si光探测器的单片集成，制备工艺较复杂，并且探测有一定的局限性。基于Si的光电探测器由于Si具有1.12eV的窄带隙，对可见光至红外波段较灵敏，而对于UVC波段探测需要昂贵的高通光学滤波器来阻挡可见光和红外光子，导致系统有效面积的显著损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种能实时自我监测并调节功率和剂量的深紫外波段发光单片集成器件及制备方法，以解决实时监测UVC LED光输出强度的变化，使UVC LED能够安全稳定地应用于日盲通信、医疗、航空航天等领域。