UVC LEDチップの光効率減衰の物理的メカニズム

UVC LEDチップは高効率で環境に優しい紫外光源として、殺菌消毒、水浄化、医療などの分野で広範な応用の将来性を持っている。しかし、光効果減衰問題は常にその発展と応用を制約する重要なボトルネックである。UVC LEDチップの光効率減衰の物理メカニズムを深く理解することは、その性能を高め、使用寿命を延長するために重要な意義がある

UVC LEDチップのコア材料は、窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）などの広帯域禁止半導体である。材料自体の特性変化は光効果減衰を引き起こす重要な原因の一つである

長時間の作業中、AlGaN材料は欠陥進展を起こす。結晶成長過程では空孔、転位などの原生欠陥が避けられないが、電流注入と温度上昇により、これらの欠陥は移動、凝集、増殖する。空格子点の移動は新しい複合中心を形成する可能性があり、転位の増殖はキャリアの非放射複合確率を増加させ、本来発光に用いられるキャリアの数を減少させ、光効率を低下させる

また、材料の成分不均一性も光効果減衰を悪化させる。AlGaN材料中のアルミニウム（Al）成分の分布が不均一であると、禁制帯幅に変動が生じ、局所的なポテンシャル井戸や障壁を形成する。キャリアは輸送中にこれらの局所ポテンシャル場に捕捉され、非放射再結合の可能性を高め、ひいては光効率の低下をもたらす。また、成分の不均一は材料の光学性能にも影響し、発光波長をドリフトさせ、デバイスの発光効率をさらに低下させる

UVC LEDチップは通常多重量子井戸構造を採用し、量子井戸は高効率発光を実現する重要な領域であり、ヘテロ接合界面の品質は量子井戸の性能に重要な影響を与える

異質結界面での格子不整合は応力を発生させ、長期的な動作中に応力の解放は界面で欠陥を発生させる。これらの界面欠陥はキャリアの複合中心となり、キャリアが量子井戸に到達する前に非放射複合を発生させ、量子井戸の発光効率を低下させる。同時に、界面欠陥はヘテロ接合間のキャリアの輸送にも影響を与え、キャリアの輸送抵抗を増加させ、光効率減衰をさらに激化させる

量子井戸構造の劣化も光効率減衰をもたらす重要な要素である。電流と温度によって量子井戸の幅と深さが変化する。量子井戸幅の増加はキャリアの制限作用を弱め、より多くのキャリアを量子井戸の外部に拡散させて非放射再結合を発生させる、一方、量子井戸の深さが減少すると、キャリアの放射再結合確率が低下し、光効率が低下する

電極はUVC LEDチップにおける電流注入の重要な部品であり、その性能の劣化はチップの光効率に直接影響する

長期的な動作中には、電極材料は酸化、移動、拡散することがあります。電極の酸化はその抵抗を増大させ、電流注入の難度を高め、チップの動作電流を減少させ、それによって光出力電力を低下させる。電極材料の移動と拡散はまた、電極形状の変化をもたらし、電極と半導体材料との接触を破壊し、電流の均一注入にさらに影響を与える可能性がある

オーム接触の劣化も光効率減衰の重要な原因の一つである。オーミック接触は電極と半導体材料の間の低抵抗接触を実現する鍵であり、その品質の良し悪しは電流の注入効率に直接影響する。長期的な動作中、Ohm接触領域には熱老化と化学変化が発生し、接触抵抗の増大を招く。接触抵抗の増加により、注入中に電流がより多くのジュール熱を発生させ、チップの発光効率を低下させるだけでなく、チップ温度の上昇を招き、他の部品の劣化を加速させる可能性がある

UVC LEDチップの動作環境はその光効率減衰にも重要な影響を与えている

温度はUVC LEDチップの性能に影響する重要な要素の一つである。チップが動作すると大量の熱が発生し、放熱が不良であれば、チップ温度の上昇を招く。高温は材料中の欠陥進展、量子井戸構造の劣化、電極とオーミック接触の劣化速度を悪化させる。同時に、高温はキャリアの非放射再結合確率を増加させ、発光効率を低下させる

湿度と腐食性ガスもUVC LEDチップの性能に悪影響を与える。湿度の高い環境はチップ表面の酸化と腐食を引き起こし、チップの表面構造を破壊し、光の抽出効率に影響を与える。腐食性ガスはチップ材料と化学反応し、材料の性能が劣化し、チップの光効果に影響を与える

以上より、UVC LEDチップの光効率減衰は複雑な物理過程であり、材料特性の変化、ヘテロ接合界面と量子井戸構造の退化、電極とオーム接触の退化及び外部環境要素などの多方面に及ぶ。これらの物理的メカニズムを深く研究することは、高性能、長寿命のUVC LEDチップの開発に重要な指導的意義がある。将来的には、材料成長プロセスの最適化、デバイス構造設計の改善、パッケージと放熱性能の改善などの措置を通じて、UVC LEDチップの光効率減衰を効果的に抑制し、より多くの分野での広範な応用を推進することが期待されている