CN113314561B - 一种深紫外波段发光单片集成器件及制备方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种深紫外波段发光单片集成器件及制备方法
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。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
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，其特征在于，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；
在所述LED阵列中，第一类LED单元用于发光，其p电极施加电源正极、n电极施加电源负极且p电极和n电极之间的电压差大于开启电压，第二类LED单元用于探测光，其p电极施加电源负极、n电极施加电源负极，或p电极施加电源正极、n电极施加电源负极且p电极和n电极之间的电压差不大于所述开启电压；
在所述第一类LED单元发光时，所述第二类LED单元产生的光电流与所述第一类LED单元的发光强度相对应，所述光电流用以反馈控制所述LED阵列的光输出强度和UVC辐射剂量。
进一步的，在所述LED阵列中，第一类LED单元的尺寸与所述第二类LED单元的尺寸相同或不同；所述LED单元的尺寸为传统LED大小，或者所述LED单元是尺寸在100μm以下的micro-LED。
进一步的，在所述LED阵列中，所述第一类LED单元与所述第二类LED单元为相邻设置，或者所述第二类LED为所述LED阵列中的任意单元。
进一步的，在所述LED阵列中，所述第一类LED单元为单个发光或多个同时发光，所述第二类LED单元为单个探测或多个同时探测。
进一步的，当所述第一类LED单元失效后，将所述第二类LED单元作为备用光源用于发光。
进一步的，所述第二类LED单元后端集成跨阻放大器，将所述第二类LED单元产生的光电流放大为光电压信号，用以反馈控制所述阵列的光输出强度和UVC辐射剂量。
一种深紫外波段发光单片集成器件的制备方法，包括以下步骤：
S1：在AlGaN外延片上，通过磁控溅射形成电流扩展层；
S2：通过湿法腐蚀与干法刻蚀到n层制备LED阵列的台面，退火形成欧姆接触；
S3：制备完LED阵列的台面，在LED阵列的表面沉积隔离层；
S4：通过干法刻蚀与湿法腐蚀结合对隔离层进行开孔，露出n层与p层；
S5：通过磁控溅射在n层与p层上沉积金属，制备n电极和p电极；
S6：对LED阵列进行封装，对于第一类LED单元设置正偏置以驱动发光，对于第二类LED单元设置零或负偏置，通过第二类LED单元产生的光电流的大小反映第一类LED单元的光输出强度。
进一步的，在步骤S1中，所述AlGaN外延片为蓝宝石衬底的AlGaN基外延片或基于硅基衬底的AlGaN基外延片；所述电流扩展层采用透明导电材料。
进一步的，在步骤S2中，干法刻蚀工艺采用BCl3与Ar的混合气体，湿法腐蚀采用硫酸与盐酸的混合溶液进行腐蚀。
进一步的，在步骤S3中，沉积隔离层的材料为SiO2、Al2O3或Si3N4，沉积的方式采用等离子体气相沉积或原子层沉积。
进一步的，在步骤S4中，干法刻蚀隔离层材料采用CHF3气体，湿法腐蚀采用BOE腐蚀。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明提供的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，基于量子阱可以实现吸收光子与发射光子的原理，在同一外延片上用同样的工艺制备LED阵列，在不同的驱动条件下实现LED与PD双重功能，作为PD的第二类LED单元产生的光电流与用于发光的第一类LED单元的发光强度相对应，通过PD产生的光电流的大小反映UVC LED光输出强度的变化，利用自反馈电路控制UVC LED发光强度，与单片集成Si光电探测器相比，灵敏度高，抗可见光和红外光干扰性强，工艺简单，系统紧凑性更高，作为PD功能的LED也可以作为备用光源。此外，克服了传统用荧光粉判断深紫外是否正常工作的局限性，能够稳定地监测UVC光输出强度的变化，并能够根据光电流的大小推算LED光输出强度，从而进一步确定UVC辐射剂量。并且阵列具有多个器件，可以根据应用需求实现单个或多个LED同时发光，单个或多个PD进行探测反馈，阵列同时也提供发光和探测单元的冗余备份，提高了系统的稳定性。本发明工艺适用范围广，系统较为简单，不仅可以适用于深紫外波段的器件制备，也可以适用于其他波段。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为现有技术一的装置的结构图；
图2为本发明一实施例提供的深紫外波段发光单片集成器件的制备方法的流程图；
图3a-3f为本发明的深紫外波段发光单片集成器件在不同制备阶段的结构图；
图4为本发明一具体示例中深紫外波段发光单片集成器件的制备及封装图；
图5a-5b为本发明一具体示例的测试结果图；
图6为本发明一具体示例中自调控深紫外波段发光单片集成器件系统的结构图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
本发明的核心思想在于提供一种深紫外波段的发光并能实时自我监测并调节功率和剂量的单片集成器件及制备方法，可以应用于日盲通信、海洋防污、消毒灭菌、航空航天等。如背景技术所述，传统监测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。利用荧光粉受紫外光激发发光的方式来判断UVC是否正常工作，受限于荧光粉的稳定性，并且无法定量得知UVC光输出的变化。
鉴于此，本发明提出了基于AlGaN量子阱具有吸收光子和发射光子的双重功能，在同一外延片上制备LED阵列，LED与PD具有相同的结构，在不同的偏置电压下能够实现LED(发光)与PD(探测光)双重功能。在LED发光的同时，邻近的LED可以作为PD吸收光而产生光电流，LED发光强度与PD产生的光电流相对应，通过光电流的变化从而实时监测光输出强度的变化，同时作为PD功能的LED也可以作为备用光源。后端可以集成跨阻放大器，将小的光电流信号放大成更大的光电压信号，接收到的光电电压再作为反馈信号反馈给设计的自反馈电路，调节其输出到LED的电流，从而实现调控LED强度。本发明工艺简单，能够实现多功能发光、实时探测，为UVC LED应用于医疗、通信、航空航天等领域提供了安全的保障。
具体的，本发明提供的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，其包括基于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；在所述LED阵列中，具有两类LED单元，第一类LED单元用于发光，其p电极施加电源正极、n电极施加电源负极且p电极和n电极之间的电压差大于开启电压，第二类LED单元用于探测光，其p电极施加电源负极、n电极施加电源负极，或p电极施加电源正极、n电极施加电源负极且p电极和n电极之间的电压差不大于所述开启电压。由此，在所述第一类LED单元发光时，所述第二类LED单元产生的光电流与所述第一类LED单元的发光强度相对应，所述光电流用以反馈控制所述LED阵列的光输出强度和UVC辐射剂量。
本发明中，LED阵列的基本结构是半导体器件中常见的二极管结构变种，即在二极管p电极和n电极中间，增加多量子阱层，形成三明治结构。对于一部分LED单元，当p电极施加电源正极，n电极施加电源负极，p电极和n电极电压差大于一定值(即开启电压，为本专业领域专业人员所知)，量子阱可充当p电极注入电流(电流的形式表现为空穴载流子，为本专业领域专业人员所知)和n电极注入电流(电流的形式表现为电子载流子，为本专业领域专业人员所知)复合层，实现发光，形成发光器件，该部分LED单元即为上述的第一类LED单元；相反，对于另一部分LED单元，当p电极施加电源负极，n电极施加电源负极，或p电极施加电源正极，n电极施加电源负极，p电极和n电极电压差小于一定值(即开启电压，为本专业领域专业人员所知)，当此三明治结构层受到光照，可吸收光子，在三明治结构层内产生电子和空穴对，电子空穴对受三明治结构内部电场作用，可以分开，分别被三明治结构n电极和p电极收集，形成光电流和光电压，实现光探测器功能，即该部分LED单元为上述的第二类LED单元。本发明的深紫外波段发光单片集成器件的发光谱和光探测响应谱重叠，使得器件中相同的两个LED单元具备了光子发射和光子探测的双重功能。因此，基于上述原理，可在同一外延片上进行半导体工艺制备UVC LED阵列，对该阵列中不同单元，可以施加不同的驱动条件，即可实现LED和PD双重功能。当此阵列中的LED单元充当PD功能时，其量子阱半导体材料由于是针对紫外发光和探测设计，具有半导体带隙宽，大于可见光和红外光波段光子能量对应带隙宽度，不会对可见光和红外光波段光子产生响应，因而，可以防止可见光和红外光造成的噪声干扰。
在所述LED阵列中，所述第一类LED单元与所述第二类LED单元相邻设置。在实际使用时，所述第一类LED单元发光，邻近的第二类LED单元可以作为PD吸收光而产生光电流，所述第一类LED单元的发光强度与所述第二类LED单元产生的光电流相对应，通过光电流的变化从而实时监测光输出强度的变化。在其他实施例中，所述第二类LED单元不限于与所述第一类LED单元相邻，也可以是所述LED阵列中的任意单元。此外，所述第一类LED单元与所述第二类LED单元不限于单个发光与单个探测，也可以是单个或多个同时发光、单个探测或多个同时探测。进一步的，为确保LED光稳定性或确保LED光强可调节性，所述第二类LED单元后端可以集成跨阻放大器，将小的光电流信号放大成更大的光电压信号，接收到的光电电压再作为反馈信号反馈给设计的自反馈电路控制LED驱动电路，调节其输出到LED的电流，从而实现调控LED强度，具体调控方法可参见现有技术，在此不做赘述。
此外，当所述第一类LED单元失效后，所述第二类LED单元也可以作为备用光源用于发光。第一类LED单元的尺寸与所述第二类LED单元的尺寸可以相同也可以不同，所述LED单元的尺寸不限于传统的LED大小，也可以是尺寸在100μm以下的micro-LED。例如，两类LED单元的尺寸分别为300μm和40μm，不同尺寸的LED具有不同功率范围，尺寸小于100μm的micro-LED(微型发光二极管)与传统光源相比，在精准的消毒灭菌等医疗领域具有突出的优势，由此可以针对不同应用需求，随时切换，即在一些应用场景中将300μmLED单元用于发光、40μmLED单元用于探测光，在另一些应用场景中将40μmLED单元用于发光、300μmLED单元用于探测光。
为此，本发明还提供了一种深紫外波段发光单片集成器件的制备方法，适用于上述的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，如图2所示，具体包括如下步骤：
步骤S1：在AlGaN外延片上，通过磁控溅射形成电流扩展层；
步骤S2：通过湿法腐蚀与干法刻蚀到n层制备LED阵列的台面，退火形成欧姆接触；
步骤S3：制备完LED阵列的台面，在LED阵列的表面沉积隔离层；
步骤S4：通过干法刻蚀与湿法腐蚀结合对隔离层进行开孔，露出n层与p层；
步骤S5：通过磁控溅射在n层与p层上沉积金属，制备n电极和p电极；
步骤S6：对LED阵列进行封装，对于第一类LED单元设置正偏置以驱动发光，对于第二类LED单元设置零或负偏置，通过第二类LED单元产生的光电流的大小反映第一类LED单元的光输出强度。
在所述步骤S1中，所述外延片不限于蓝宝石衬底的AlGaN基外延片，也可以是基于硅基衬底的AlGaN基外延片，电流扩展层不限于采用透明导电材料，如ITO(氧化铟锡)，也可以生长镍、金、或其他适当的金属透明薄层作为电流扩展层。
在所述步骤S2中，干法刻蚀工艺采用BCl3与Ar的混合气体，湿法腐蚀采用硫酸与盐酸的混合溶液进行腐蚀，刻蚀LED台面尺寸大小不限于传统尺寸，还包括尺寸在100μm以下的micro-LED，单个芯片上LED阵列的尺寸可以相同也可以不同。
在所述步骤S3中，沉积隔离层的材料不限于SiO2，也可以是Al2O3、Si3N4等材料；沉积的方式不限于等离子体气相沉积PECVD，也可以采用原子层沉积(ALD)沉积材料。
在所述步骤S4中，干法刻蚀隔离层材料采用CHF3气体，湿法腐蚀使用BOE(Buffered Oxide Etch，缓冲氧化物刻蚀)进行腐蚀，可采用HF水溶液：NH4F水溶液＝1：6的混合溶液。
此外，在所述步骤S6中，可通过PCB或者Tocan对LED阵列进行封装，在对LED阵列进行封装后，还可以在第二类LED单元后端集成跨阻放大器，将小的光电流信号放大成更大的光电压信号，接收到的光电电压再作为反馈信号反馈给自反馈调节电路，调节其输出到LED的电流，从而实现调控LED强度。
下面结合具体示例对本发明做进一步的详细说明，本领域技术人员应当了解，以下所述是对本发明的进一步解释而不是限定。下述步骤是以生长于蓝宝石衬底上的AlGaN深紫外外延片制备本发明所述的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，图3a～3f所示为制备过程中各阶段的器件结构图。
步骤1：采用金属有机化学气相沉积在蓝宝石衬底上(200)生长的外延片，依次包括～2μm AlN缓冲层(211)、～1μm未掺杂的AlGaN层(212)、～1μm掺硅的n-AlGaN层(213)、～80nm AlGaN/AlGaN多量子阱层(214)、～50nm AlGaN电子阻挡层(215)、～300nm掺镁的p-AlGaN层(216)和～10nm掺镁的p-GaN(217)，此时的器件结构如图3a所示；
步骤2：通过磁控溅射在p-GaN表面沉积40nm ITO作为电流扩展层(218)，此时的器件结构如图3b所示；
步骤3：在电流扩展层(218)ITO表面涂敷光刻胶，紫外光刻形成不同尺寸的LED阵列图案，采用浓盐酸与浓硝酸以体积比4：1的混合溶液湿法腐蚀ITO，采用电感耦合等离子体干法刻蚀到n-AlGaN层(213)，刻蚀气体是BCl3与Ar的混合气体，刻蚀深度约700nm，然后，采用快速热退火在氮气氛围下，550℃下退火15分钟，此时的器件结构如图3c所示；
步骤4：采用等离子体气相沉积约300nm的二氧化硅(219)作为隔离层，此时的器件结构如图3d所示；
步骤5：在隔离层二氧化硅(219)表面涂敷光刻胶，紫外光刻形成图案化，采用电感耦合等离子体干法刻蚀与湿法腐蚀相结合，腐蚀深度约300nm，在219表面开孔露出电流扩展层218以及n-AlGaN层213，干法刻蚀气体采用CHF3气体，湿法腐蚀溶液采用BOE(HF水溶液：NH4F水溶液＝1：6混合溶液)进行腐蚀，此时的器件结构如图3e所示；
步骤6：在芯片表面涂敷光刻胶，紫外光刻形成图案化，采用磁控溅射工艺溅射50/250nm钛、金作为电极(220)，制备得到n电极和p电极，此时的器件结构如图3f所示；
步骤7：将制备完成的芯片封装在PCB板上，如图4所示，为300μm和40μm的LED光学显微镜图，虚线框内的插图为封装后的图；
步骤8：将封装完成的芯片连接电流源，测试UVC集成芯片实时监测性能，如图5a所示为300μm LED(即第一类LED单元)在不同驱动电流下发光，作为40μm LED(即第二类LED单元)在-5V偏置下作为PD在相应的光照条件下得到的光电流，图5b为40μm LED(即第一类LED单元)在不同驱动电流下发光，300μm LED(即第二类LED单元)在-5V偏置下作为PD在相应的光照条件下得到的光电流。
由图5a、5b可知，作为PD功能的UVC LED(即第二类LED单元)产生的光电流与UVCLED(即第一类LED单元)光输出强度一一对应，实际应用中，可以通过PD产生的光电流的大小推算UVC LED光输出强度，从而进一步确定UVC辐射剂量。这种可实时监测深紫外发光剂量的深紫外单片集成器件，作为PD的LED本身也可以作为LED，所以当用作发光的LED失效后，其可以作为备用光源。另外，芯片上设计的LED的尺寸不同，具有不同功率范围，如示例中40μm UVC micro-LED作为一种新型的照明和显示光源，与传统光源相比，在医疗领域具有突出的优势，几十微米大小的micro-LED具有更小的光斑尺寸，可实现消毒灭菌的精准定向，因此，特殊设计的40μm UVC micro-LED具有单色性好、响应速度快、寿命长、稳定性高、光斑小等优点，有望在医疗领域发挥重要作用。实际应用中，可以根据所需应用场景的需求不同，随时切换UVC光源。
步骤9：在封装的LED阵列后端设计自反馈调控电路，如图6所示，通过集成跨阻放大器，将小的光电流信号放大成更大的光电压信号，将得到的电压和参考电压通过比例积分控制器得到差值，再将该差值与电阻的电压值作对比。当LED产生的光强较低，比例积分控制器得到的差值减小，差值比电阻电压值小，则比较器输出高电平，RS触发器将重置，输出为低电平，此时驱动器不工作，场效应管关闭，电感中储存的电流将会释放，补偿LED需要的电流，调节的频率同时钟频率相同，可以实现动态调节发光的LED强度，可见这种单片集成的器件可以实现多功能的需求，开拓了深紫外光源应用于日盲通信、海洋防污、消毒灭菌、航空航天等领域，推进了深紫外光子集成芯片的发展。
综上所述，本发明提供的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，基于量子阱可以实现吸收光子与发射光子的原理并利用单片机反馈调节，在同一外延片上用同样的工艺制备UVC LED阵列，在不同的驱动条件下实现LED与PD双重功能，PD产生的光电流与UVC LED发光强度相对应，通过PD产生的光电流的大小反映UVC LED光输出强度的变化，达到实时监测的效果并可确定UVC发光剂量，相比传统监测深紫外光源是否工作的方式如通过集成Si光电探测器或者激发荧光粉发光等，避免了复杂的系统结构，系统集成紧凑性高，工艺简单，克服了使用荧光粉的不稳定性，并具有灵敏度高，抗可见光和红外光干扰性强的功能。
具体优势如下：
1)UVC LED和UVC PD为完全相同器件，可相互切换功能，片内一次性集成，与UVCLED+Si基PD和UVC LED+荧光粉探测器相比，无需额外组合集成，工艺简单、完备；
2)与UVC LED+Si基PD和UVC LED+荧光粉探测器相比，UVC PD可靠性强，灵敏度高，抗可见光和红外光干扰性强的功能。
3)作为PD的LED本身也可以作为LED，所以当用作发光的UVC LED失效后，其可以作为备用光源，无缝切换。
4)阵列具有多个器件，可以根据应用需求实现单个或多个LED同时发光，单个或多个PD进行探测反馈，阵列同时也提供发光和探测单元的冗余备份，提高了系统的稳定性。
此外，本发明中，芯片上设计的LED尺寸不限于传统LED，也可以是尺寸在100μm以下的micro-LED，micro-LED结合传统LED可以针对不同的应用场景需求，随时切换UVC光源。
本发明中，UVC LED阵列可以实现单芯片内深紫外通信，发光LED发射光通信信号，n-AlGaN层作为光波导层，用作探测的LED接收光通信信号，实现片内通信。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种深紫外波段发光单片集成器件，其特征在于，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；
在所述LED阵列中，第一类LED单元用于发光，其p电极施加电源正极、n电极施加电源负极且p电极和n电极之间的电压差大于开启电压，第二类LED单元用于探测光，其p电极施加电源负极、n电极施加电源负极，或p电极施加电源正极、n电极施加电源负极且p电极和n电极之间的电压差不大于所述开启电压；
在所述第一类LED单元发光时，所述第一类LED单元发出的深紫外光通过n电极下方的n-AlGaN层传输至所述第二类LED单元，所述第二类LED单元产生的光电流与所述第一类LED单元的发光强度相对应，所述光电流用以反馈控制所述LED阵列的光输出强度和UVC辐射剂量；所述第二类LED单元的量子阱具有半导体带隙宽，大于可见光和红外光波段光子能量对应带隙宽度；所述第二类LED单元后端集成跨阻放大器，将所述第二类LED单元产生的光电流放大为光电压信号，用以反馈控制所述阵列的光输出强度和UVC辐射剂量；
当所述第一类LED单元失效后，将所述第二类LED单元作为备用光源用于发光；
在所述LED阵列中，第一类LED单元的尺寸与所述第二类LED单元的尺寸相同或不同；所述LED单元的尺寸为传统LED大小，或者所述LED单元是尺寸在100μm以下的micro-LED。
2.如权利要求1所述的深紫外波段发光单片集成器件，其特征在于，在所述LED阵列中，所述第一类LED单元与所述第二类LED单元为相邻设置，或者所述第二类LED单元为所述LED阵列中的任意单元。
3.如权利要求1所述的深紫外波段发光单片集成器件，其特征在于，在所述LED阵列中，所述第一类LED单元为单个发光或多个同时发光，所述第二类LED单元为单个探测或多个同时探测。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的深紫外波段发光单片集成器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在AlGaN外延片上，通过磁控溅射形成电流扩展层；
S2：通过湿法腐蚀与干法刻蚀到n层制备LED阵列的台面，退火形成欧姆接触；
S3：制备完LED阵列的台面，在LED阵列的表面沉积隔离层；
S4：通过干法刻蚀与湿法腐蚀结合对隔离层进行开孔，露出n层与p层；
S5：通过磁控溅射在n层与p层上沉积金属，制备n电极和p电极；
S6：对LED阵列进行封装，对于第一类LED单元设置正偏置以驱动发光，对于第二类LED单元设置零或负偏置，通过第二类LED单元产生的光电流的大小反映第一类LED单元的光输出强度。
5.如权利要求4所述的深紫外波段发光单片集成器件的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述AlGaN外延片为蓝宝石衬底的AlGaN基外延片或基于硅基衬底的AlGaN基外延片；所述电流扩展层采用透明导电材料。
6.如权利要求4所述的深紫外波段发光单片集成器件的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，干法刻蚀工艺采用BCl3与Ar的混合气体，湿法腐蚀采用硫酸与盐酸的混合溶液进行腐蚀。
7.如权利要求4所述的深紫外波段发光单片集成器件的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，沉积隔离层的材料为SiO2、Al2O3或Si3N4，沉积的方式采用等离子体气相沉积或原子层沉积；
在步骤S4中，干法刻蚀隔离层材料采用CHF3气体，湿法腐蚀采用BOE腐蚀。
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