深紫外LED的研究進展與產業(yè)化應用

　　隨著LED技術不斷發(fā)展，其發(fā)光波長已經由可見光波段拓展到深紫外波段，其技術逐漸成熟和成本下降將使得紫外LED應用更加廣泛，甚至可能超越目前的藍光LED。從深紫外LED的發(fā)光特點，制作工藝等方面，重點介紹深紫外LED的目前的研究進展與產業(yè)化應用。

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

　　紫外LED作為LED的1個分支，雖不能照明但具備LED的所有優(yōu)勢，理論上可以替代所有傳統(tǒng)紫外光源，極大地拓展了LED的應用領域。最常見的紫外線主要是來源于太陽輻射，根據波長可把紫外線分為長波紫外線(ultraviolet A ， UVA)、中波紫外線(ultraviolet B，UVB)和短波紫外線(ultravioletC，UVC)，波長分別為320~400 nm，280~320nm， 100~280 nm。能夠到達地球表面的紫外線主要包括長波紫外線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制造技術簡介

　　1.1 發(fā)光材料的制備

　　外延生長工藝為，通過MOCVD設備在藍寶石襯底上依次生長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，外延結構示意圖見下圖1。

　　1.2 電極制作工藝

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

　　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的工藝流程與藍光基本相同，主要區(qū)別是藍光可以透過頂層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的工藝流程見圖4。

　　目前的研究進展及存在問題

　　經過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5%，對應發(fā)光功率大于5 mW，壽命達5 000 h。功率的提升推動應用領域的發(fā)展，深紫外線LED的用途包括：光學傳感器和儀器(230~400 nm)、紫外線身份驗證、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5%，但與藍光的60%相比仍然很低，其原因如下。

　　(1)模板材料質量缺陷，在藍寶石上外延的A1N材料的位錯密度高達1X109cm2，而圖形襯底生長的GaN材料的位錯密度約為1 X10 7cm2，故采用圖形襯底提高模板材料質量。

　　(2)多層結構中深紫外光的全內反射損失，以及P型電極的吸收導致光提取效率差，目前光萃取效率只有6%。須取得對p型歐姆接觸的突破，減少對高吸光p-GaN的依賴;優(yōu)化多層異質結之問的折射率差;運用圖形襯底;粗化出光面。

　　(3)高鋁組分的A1GaN會出現(xiàn)明顯的量了極化效應，使量子阱和壘中出現(xiàn)極化電場，導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)藍寶石作為襯底，或采用組分漸變方法進行抵消。

　　2.2 散熱性差

　　外量子效率低致使大部分電能轉化為熱能，因此散熱問題很關鍵。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

　　與藍光的100000h比，深紫外LED的壽命只有5000h，其低壽命主要歸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的應用

　　深紫外LED與傳統(tǒng)的紫外汞燈性能對比見下表，紫外LED具有的優(yōu)勢如下。

　　(1)高效：單位面積的光強超過汞燈的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：半導體材料無毒無害，紫外LED也不含任何有毒物質。

　　(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，脈沖式的開關對LED的壽命沒有任何影響，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)出和控制極為簡單便利。

　　3.1 殺菌消毒

　　紫外線有效消毒的波長區(qū)間為240~300 nm，它可以破壞細菌的復制基因鏈，使其無法復制，從而達到殺菌目的，其殺菌特點如下。

　　(1) 殺菌過程是1個物理破壞過程，與化學藥劑不同，它不受溫度、濃度、活性等化學平衡條件影響。

　　(2)無毒、無殘留和無異味。

　　(3)細胞壁和病毒蛋白質外殼均對深紫外線無法阻擋。

　　(4)對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。

　　3.2 紫外LED的其他應用領域

　　紫外LED的應用領域極其廣泛，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，殺滅空氣中的細菌，可用于空調和加濕器、UV光觸媒凈化器、化工和生醫(yī)空氣凈化等。

　　(3)國防與安全，紫外探測，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等。

　　(5)醫(yī)療領域，皮膚病的治療，以及切斷傳染途徑、公共場所、學校便攜式殺菌產品等。

　　日前重點開發(fā)的主要應用市場

　　4.1 發(fā)光材料的制備

　　利用深紫外線在水中的穿透性，有效殺滅細菌和病毒，保證飲水安全。可應用產品：家用飲水機、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，可有效阻斷細菌和病毒在空氣中的傳播。可應用產品：空調(家用空調、大型空調)、加濕器、除濕器、空氣滅菌器 (臺式、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，可有效殺滅細菌、霉菌甚至病毒，延長食品的保質期?？蓱卯a品：冰箱、各種消毒柜、除濕器、空氣滅菌器(臺式、車載)。

　　4.4 醫(yī)療器械類

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

　　隨著紫外LED的發(fā)光功率的提升和成本的下降，未來紫外LED的應用會更加廣泛，比目前的藍光LED更加突出，將成為本世紀最具影響力的半導體產品之一。