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              深紫外LED的研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

              2015/10/30 9:53:58 作者: 來(lái)源:新興產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略智庫(kù)
              摘要:隨著LED技術(shù)不斷發(fā)展,其發(fā)光波長(zhǎng)已經(jīng)由可見(jiàn)光波段拓展到深紫外波段,其技術(shù)逐漸成熟和成本下降將使得紫外LED應(yīng)用更加廣泛,甚至可能超越目前的藍(lán)光LED。從深紫外LED的發(fā)光特點(diǎn),制作工藝等方面,重點(diǎn)介紹深紫外LED的目前的研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

                隨著LED技術(shù)不斷發(fā)展,其發(fā)光波長(zhǎng)已經(jīng)由可見(jiàn)光波段拓展到深紫外波段,其技術(shù)逐漸成熟和成本下降將使得紫外LED應(yīng)用更加廣泛,甚至可能超越目前的藍(lán)光LED。從深紫外LED的發(fā)光特點(diǎn),制作工藝等方面,重點(diǎn)介紹深紫外LED的目前的研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

                1997年,日亞化學(xué)成功研發(fā)世界首個(gè)發(fā)光波長(zhǎng)為371 nm的GaN基紫外發(fā)光LED。2003年,美國(guó)SETi公司開發(fā)出波長(zhǎng)為280 nm的A1GaN基深紫外LED 。2014年10月24日,諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者之一天野浩在記者見(jiàn)面會(huì)上介紹了自己正在進(jìn)行的研究,其中包括波長(zhǎng)為250~350 nm左右的深紫外LED。

                紫外LED作為L(zhǎng)ED的1個(gè)分支,雖不能照明但具備LED的所有優(yōu)勢(shì),理論上可以替代所有傳統(tǒng)紫外光源,極大地拓展了LED的應(yīng)用領(lǐng)域。最常見(jiàn)的紫外線主要是來(lái)源于太陽(yáng)輻射,根據(jù)波長(zhǎng)可把紫外線分為長(zhǎng)波紫外線(ultraviolet A , UVA)、中波紫外線(ultraviolet B,UVB)和短波紫外線(ultravioletC,UVC),波長(zhǎng)分別為320~400 nm,280~320nm, 100~280 nm。能夠到達(dá)地球表面的紫外線主要包括長(zhǎng)波紫外線UVA和中波紫外線UVB,而短波紫外線UVC基本都被大氣中的臭氧層吸收(因此UVC屬于日盲區(qū))。

                紫外LED制造技術(shù)簡(jiǎn)介

                1.1 發(fā)光材料的制備

                外延生長(zhǎng)工藝為,通過(guò)MOCVD設(shè)備在藍(lán)寶石襯底上依次生長(zhǎng)A1N模板層、N型A1GaN層、多量了阱發(fā)光層、電了阻擋層和P型GaN接觸層,外延結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)下圖1。

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                1.2 電極制作工藝

                芯片工藝,通過(guò)光刻、刻蝕漏出N型接觸層,通過(guò)蒸鍍以及合金,N型、P型與電極形成歐姆接觸(如圖1),然后通過(guò)減薄、裂片,對(duì)小芯粒進(jìn)行分選,倒裝到絕緣的硅片上。圖2是倒裝芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。

                1.3 封裝方式

                封裝方式影響出光效率,而透鏡封裝和非透鏡封裝對(duì)紫外LED的出光影響尤其很大。另外,不同管座引起的散熱和防靜電能力不同,也會(huì)影響器件壽命,圖3為常用的封裝形式。

                1.4 制造工藝流程

                深紫外LED的工藝流程與藍(lán)光基本相同,主要區(qū)別是藍(lán)光可以透過(guò)頂層P型,而深紫外LED由于p-GaN的吸收,只能采用倒裝方法從背面出光。深紫外LED的工藝流程見(jiàn)圖4。

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                目前的研究進(jìn)展及存在問(wèn)題

                經(jīng)過(guò)10多年研究和發(fā)展,280 nm以下的深紫外LED外量子效率已超過(guò)5%,對(duì)應(yīng)發(fā)光功率大于5 mW,壽命達(dá)5 000 h。功率的提升推動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展,深紫外線LED的用途包括:光學(xué)傳感器和儀器(230~400 nm)、紫外線身份驗(yàn)證、條碼(230~280 nm)、飲用水殺菌、便攜式殺菌(240~280 nm)。

                2.1 功率低

                深紫外LED外量子效率已超過(guò)5%,但與藍(lán)光的60%相比仍然很低,其原因如下。

                (1)模板材料質(zhì)量缺陷,在藍(lán)寶石上外延的A1N材料的位錯(cuò)密度高達(dá)1X109cm2,而圖形襯底生長(zhǎng)的GaN材料的位錯(cuò)密度約為1 X10 7cm2,故采用圖形襯底提高模板材料質(zhì)量。

                (2)多層結(jié)構(gòu)中深紫外光的全內(nèi)反射損失,以及P型電極的吸收導(dǎo)致光提取效率差,目前光萃取效率只有6%。須取得對(duì)p型歐姆接觸的突破,減少對(duì)高吸光p-GaN的依賴;優(yōu)化多層異質(zhì)結(jié)之問(wèn)的折射率差;運(yùn)用圖形襯底;粗化出光面。

                (3)高鋁組分的A1GaN會(huì)出現(xiàn)明顯的量了極化效應(yīng),使量子阱和壘中出現(xiàn)極化電場(chǎng),導(dǎo)致工作電壓升高和量子效率下降。解決辦法為使用非極性面(如a面)藍(lán)寶石作為襯底,或采用組分漸變方法進(jìn)行抵消。

                2.2 散熱性差

                外量子效率低致使大部分電能轉(zhuǎn)化為熱能,因此散熱問(wèn)題很關(guān)鍵。從芯片和封裝方面看,薄膜倒裝深紫外LED和倒裝焊深紫外LED可以提高散熱,可制作高功率深紫外LED。

                2.3 壽命低

                與藍(lán)光的100000h比,深紫外LED的壽命只有5000h,其低壽命主要?dú)w因于材料缺陷和散熱不良,以及封裝材料受紫外線照射易老化。

                深紫外LED的應(yīng)用

                深紫外LED與傳統(tǒng)的紫外汞燈性能對(duì)比見(jiàn)下表,紫外LED具有的優(yōu)勢(shì)如下。

                (1)高效:?jiǎn)挝幻娣e的光強(qiáng)超過(guò)汞燈的1 000倍。比如單顆LED的發(fā)光面積僅僅為0.3 mm X 0.3mm但光功率大于1mW,而汞燈在如此小的面積上發(fā)出的光功率不到1 mW 。

                (2)環(huán)保:半導(dǎo)體材料無(wú)毒無(wú)害,紫外LED也不含任何有毒物質(zhì)。

                (3)節(jié)能:同樣的光輸出功率,耗能僅是汞燈的1/10。

                (4)可靠:體現(xiàn)在開關(guān)特性和使用壽命可智能控制方面。由于LED的發(fā)光特性,脈沖式的開關(guān)對(duì)LED的壽命沒(méi)有任何影響,6V的直流電接通就同步發(fā)出紫外線,而汞燈的開關(guān)則直接影響其壽命,因此與傳統(tǒng)的汞燈相比,LED的紫外線發(fā)出和控制極為簡(jiǎn)單便利。

              深紫外LED的技術(shù)進(jìn)展現(xiàn)狀及主要應(yīng)用

                3.1 殺菌消毒

                紫外線有效消毒的波長(zhǎng)區(qū)間為240~300 nm,它可以破壞細(xì)菌的復(fù)制基因鏈,使其無(wú)法復(fù)制,從而達(dá)到殺菌目的,其殺菌特點(diǎn)如下。

                (1) 殺菌過(guò)程是1個(gè)物理破壞過(guò)程,與化學(xué)藥劑不同,它不受溫度、濃度、活性等化學(xué)平衡條件影響。

                (2)無(wú)毒、無(wú)殘留和無(wú)異味。

                (3)細(xì)胞壁和病毒蛋白質(zhì)外殼均對(duì)深紫外線無(wú)法阻擋。

                (4)對(duì)DNA、RNA造成統(tǒng)一破壞,不必更換藥品。

                (5)不必使用組合藥劑。

                (6)特別適合空氣、水和物體表面消毒。

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                3.2 紫外LED的其他應(yīng)用領(lǐng)域

                紫外LED的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛,主要可以用于以下方面。

                (1)水凈化,殺滅水中的細(xì)菌和病毒,可用于飲用水凈化、家庭魚缸凈化、污水降解(二惡英Dioxin)、淡水和海水養(yǎng)殖業(yè)等。

                (2)空氣凈化,殺滅空氣中的細(xì)菌,可用于空調(diào)和加濕器、UV光觸媒凈化器、化工和生醫(yī)空氣凈化等。

                (3)國(guó)防與安全,紫外探測(cè),紫外通訊等。

                (4)食品加工保鮮,食品、飲料以及蔬菜的包裝、肉類加工、餐飲業(yè)、食品零售和冰箱存儲(chǔ)等。

                (5)醫(yī)療領(lǐng)域,皮膚病的治療,以及切斷傳染途徑、公共場(chǎng)所、學(xué)校便攜式殺菌產(chǎn)品等。

                日前重點(diǎn)開發(fā)的主要應(yīng)用市場(chǎng)

                4.1 發(fā)光材料的制備

                利用深紫外線在水中的穿透性,有效殺滅細(xì)菌和病毒,保證飲水安全??蓱?yīng)用產(chǎn)品:家用飲水機(jī)、消毒水杯、魚缸殺菌、消毒筆等各種消毒飲水器具。

                4.2 空氣類殺菌

                利用深紫外線的殺菌功能,可有效阻斷細(xì)菌和病毒在空氣中的傳播??蓱?yīng)用產(chǎn)品:空調(diào)(家用空調(diào)、大型空調(diào))、加濕器、除濕器、空氣滅菌器 (臺(tái)式、車載)等。

                4.3 食品類殺菌

                利用深紫外線直接照射附著保鮮膜的食品,可有效殺滅細(xì)菌、霉菌甚至病毒,延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期??蓱?yīng)用產(chǎn)品:冰箱、各種消毒柜、除濕器、空氣滅菌器(臺(tái)式、車載)。

                4.4 醫(yī)療器械類

                利用深紫外線的殺菌消炎、止痛、刺激抗體生長(zhǎng)加快愈合等功能,可用于血療和光治療兩大領(lǐng)域。

                隨著紫外LED的發(fā)光功率的提升和成本的下降,未來(lái)紫外LED的應(yīng)用會(huì)更加廣泛,比目前的藍(lán)光LED更加突出,將成為本世紀(jì)最具影響力的半導(dǎo)體產(chǎn)品之一。


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