Adv. Photon. | 半导体紫外光源的发展与未来——从材料创新到场景落地

Advanced Photonics 2026年第4期文章：

Omar Alkhazragi, Yuanpeng Wu, Yifu Guo, Zetian Mi, Di Liang, “Semiconductor ultraviolet light sources: advancements and emerging applications,” Advanced Photonics 8, 044002 (2026).

背景介绍

深紫外光源在病菌消杀、紫外光刻、显微成像和无线通信等领域具有独特的应用优势，凭借短波长及高光子能量等特点，紫外光可以激发多种荧光材料，还能提升光刻与显微成像的分辨率；紫外光在大气和水中的强散射特性还为非视距光通信提供了天然条件。此外，太阳发出的深紫外辐射会被大气臭氧吸收，使地表形成低背景的日盲窗口，因此该波段在高灵敏探测和无线通信应用方面具有显著优势。

早期的紫外光源主要依赖汞灯、氘灯、准分子激光器以及非线性频率转换系统，尽管这些紫外光源推动了相关应用的发展，但其大体积、低效率、慢响应等局限制约了小型化、高速无线通信等应用的发展。相比之下，基于半导体的紫外光源具有体积小、效率高、响应快和发射波长可调等优势，GaN和AlN的带隙分别约为3.4 eV和6.2 eV，通过调节AlGaN合金组分，并结合InGaN覆盖较长波长的UV-A区域，可基本覆盖约200~400 nm紫外波段，为发展不同波长的紫外LED和激光器提供材料基础。然而，当发射波长向深紫外波段延伸时，材料缺陷、p型掺杂困难、载流子注入不足、光提取效率低下等问题会愈发突出；因此，亟需攻克半导体紫外光源所面临的晶体质量、散射损耗和光学结构等挑战，进而实现制备高光效、高速半导体紫外光源，为深紫外消杀、光刻、无线通信等应用的发展奠定基础。

针对上述技术瓶颈，美国密歇根大学与沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿业大学团队系统梳理了Ⅲ族氮化物材料、紫外LED、激光二极管及低相干光源的最新进展，重点总结了器件效率提升、短波长输出等关键方向，并进一步讨论其在无线通信、光子集成电路、光谱和量子技术中的应用。该综述以“Semiconductor ultraviolet light sources: advancements and emerging applications”为题发表在Advanced Photonics 2026第4期。

基于AlGaN量子阱的紫外LED已实现覆盖较大范围的紫外波段，但当发射波长低于240 nm时，器件的外量子效率仍远低于1%，其性能主要受材料缺陷、高Al组分AlGaN较低的p型掺杂效率，以及TM偏振发光引起的光提取困难等因素限制；其中，电子与空穴的浓度、迁移率存在明显差异，器件空穴注入效率不足，会进一步加剧载流子不平衡现象，因此，提高空穴注入效率成为了深紫外LED效率优化的重要方向之一。针对该问题，作者团队梳理了基于隧穿结改善深紫外LED空穴注入效率的研究进展：图1(a)所示为采用GaN隧穿结和顶部n型接触层的深紫外LED器件结构示意图；图1(b)为该器件对应的能带结构，图1(c)和图1(d)分别为器件的电流—电压特性和外量子效率。结果显示，当隧穿结中GaN层厚度约为5 nm时，深紫外LED的峰值外量子效率可达9.8%；图1(e)显示了基于全AlGaN极化超薄隧穿结器件结构，该器件可利用强极化场促进带间隧穿，进而实现发射波长为273 nm，在30 A/cm²电流密度下的工作电压仅为5.8 V的深紫外LED。这些研究结果为实现低损耗、低电压深紫外LED提供了新的设计路径。

图1 深紫外隧穿结LED结构与性能研究进展

相较于LED，紫外激光二极管具有良好的方向性和高速调制能力，但随着发射波长向UV-B和UV-C波段延伸，宽禁带材料生长、p型掺杂以及短波长下更高的散射损耗等问题更加突出；受此限制，紫外激光二极管的发展相对滞后。近年来，随着AlGaN材料生长和器件工艺不断进步，其发射波长逐步向深紫外区域拓展。如图2所示，过去数十年间，紫外激光二极管不断向更短波长发展。2019年，室温UV-C激光二极管首次在脉冲注入下实现约271.8 nm发射，阈值电流密度为25 kA/cm²；随后，发射波长为298 nm的室温UV-B激光二极管也在脉冲条件下得到验证。在向短波长拓展的同时，紫外激光器也逐渐向连续波和单频工作发展。为实现单频输出，研究人员开始引入分布反馈（DFB）结构，其中383 nm DFB紫外激光二极管已实现脉冲和连续波工作。目前，商业化紫外激光二极管仍主要集中在约370 nm的UV-A波段，UV-B和UV-C器件仍处于研发阶段。除激光二极管，作者团队还综述了随机激光器和超辐射发光二极管等低相干紫外光源。较低的时间相干性有助于抑制干涉噪声和散斑效应，可用于无散斑照明和光学相干层析成像；不过，目前紫外超辐射发光二极管仍主要集中在近紫外和紫光波段，更短波长器件有待进一步发展。

图2 紫外激光二极管关键发展历程

高速响应是半导体紫外光源相较于传统放电灯的优势，也为无线通信提供了技术基础。短波长紫外光在大气中散射更强，可借助散射光建立非视距链路，降低对收发端严格对准的依赖；在深紫外波段，来自太阳的辐射在到达地表前会被大气吸收，因此可配合日盲探测器实现低背景的户外通信。近年来，紫外无线通信的数据率持续提升。如图3(a)所示，相关研究已由Mb/s量级进入Gb/s量级；图3(b)–(d)分别展示视距、漫射视距和非视距三种典型链路。2018年，约280 nm UV-C LED在1.5 m距离实现1.6 Gb/s传输；2020年，UV-C LED链路在1 m距离达到2.4 Gb/s，并在5 m距离保持2 Gb/s。此后，UV-C通信链路的最高数据率进一步超过5 Gb/s，通过UV-A、UV-B和UV-C三波段波分复用，聚合数据率进一步达到10 Gb/s。该散射优势同样适用于水下通信。近紫外光在水体中兼具相对较低的吸收和高于可见光的散射，可降低非视距链路对精确对准的依赖。已有UV-A激光水下非视距链路实现超过70 Mb/s传输，365 nm LED跨水-空气界面通信的数据率也达到约100 Mb/s。

图3 紫外无线通信速率、传输距离及典型链路结构

本综述系统梳理了Ⅲ族氮化物材料、深紫外LED、激光二极管及低相干光源的最新进展，并总结了半导体紫外光源在高速通信、光子集成等领域的应用潜力。随着材料生长与器件技术不断进步，半导体紫外光源正向更短波长、更高效率和更高集成度发展。目前，深紫外器件仍面临超宽禁带材料高质量生长、p型掺杂以及连续波与单频激光工作等关键挑战；紫外光子集成则受限于低损耗波导制备、高分辨率加工及有源—无源器件集成。未来，随着材料生长和纳米加工技术进一步成熟，半导体紫外光源有望推动高速、小型化紫外系统的发展，并为通信、成像、光谱和量子应用提供新的技术支撑。