深紫外LED何時才能不望塵莫及?

　　憑借安全、環(huán)保、小巧、高效、低耗等性能優(yōu)勢，波長在240-280納米之間的深紫外LED正在加速拓展紫外線在民用和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，并將逐步替代傳統(tǒng)汞燈。

　　作為傳統(tǒng)汞加工制造和汞污染大國，中國政府已于2016年正式批準加入聯(lián)合國環(huán)境大會，將于2020年起逐步全面禁止汞添加產(chǎn)品的制造和進出口，這意味著在可預(yù)見的未來，利用紫外LED作為汞燈替代品的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用將迎來爆發(fā)式增長。

　　關(guān)于深紫外LED

　　紫外線，作為電磁波的一種，波長小于可見光，范圍在10-400納米(nm)之間，包括：UV-V(波長10-200納米)、UV-C(波長200-280納米)、UV-B(波長280-315納米)、UV-A(320-400納米)，其中波長小于320納米的紫外線，又被稱作“深紫外線”。

　　在LED領(lǐng)域，現(xiàn)在開發(fā)的主要是釋放UV-C。深紫外光是指波長100納米到280納米之間的光波，半導(dǎo)體深紫外光源在照明、殺菌、醫(yī)療、印刷、生化檢測、高密度的信息儲存和保密通訊等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價值。

　　與常見的用于照明的LED相比，深紫外LED在材料、工藝和應(yīng)用方面有明顯區(qū)別，是目前所知的最適合民用的固態(tài)紫外光，其中UVC LED能發(fā)散出具有殺菌作用的C波段光線。深紫外LED除菌凈化功能已日漸被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療和健康領(lǐng)域，作為新一代紫外殺菌技術(shù)，具有無汞、安全環(huán)保和廣泛的環(huán)境適應(yīng)性等特點，屬于物理廣譜殺菌，無化學(xué)殘留特性。

　　發(fā)展前景

　　近年來，深紫外LED應(yīng)用領(lǐng)域因廣闊的市場前景和巨大的附加值逐漸被認為是半導(dǎo)體及醫(yī)療衛(wèi)生健康領(lǐng)域新的增長點。

　　UV-C LED產(chǎn)品技術(shù)門檻相當(dāng)高，不論在磊晶、晶片技術(shù)、封裝與市場接受程度等都面臨諸多挑戰(zhàn)，但研究報告顯示，以高科技創(chuàng)新為特色的深紫外LED應(yīng)用廣泛，將成為全球LED研究與投資的新熱點。據(jù)估計，2016年UVC LED殺菌與凈化應(yīng)用的市場產(chǎn)值達2，800萬美元，2021年將達2.57億美元，年復(fù)合成長率高達56%。

　　市場布局

　　上游制備工藝和生產(chǎn)設(shè)備的尖端性、下游應(yīng)用技術(shù)的復(fù)雜性以及成本原因，使得深紫外LED國內(nèi)外應(yīng)用一度進展緩慢。

　　市場等待爆發(fā)，企業(yè)加速布局。近年來UV LED企業(yè)的主要策略路線是從資本追逐到強強聯(lián)手發(fā)力終端：

　　1、歐司朗與HexaTech簽戰(zhàn)略協(xié)議

　　日前，歐司朗與AlN單晶基板供應(yīng)商HexaTech公司簽署兩項戰(zhàn)略協(xié)議。這些協(xié)議包括長期供應(yīng)協(xié)議和若干HexaTech的知識產(chǎn)權(quán)(IP)許可，其中，前者涉及作為HexaTech公司2英寸(直徑)基板開發(fā)項目的直接支持的氮化鋁(AlN)基板。此舉有助于歐司朗加速其基于HexaTech材料的UV-CLED器件開發(fā)，使歐司朗成為主要的高性能光電技術(shù)提供商，提供從深紫外波長到紅外波長的各種產(chǎn)品。

　　2、日本德山將深紫外LED晶圓生產(chǎn)線及專利售予斯坦利電氣

　　日前，日本化學(xué)大廠德山與日本電氣設(shè)備大廠斯坦利電氣決定，在深紫外線LED領(lǐng)域擴大合作，德山維持深紫外線LED材料研發(fā)，而晶圓生產(chǎn)、封裝、與產(chǎn)品制造銷售等業(yè)務(wù)，由Stanley Electric負責(zé)。德山的深紫外線LED晶圓生產(chǎn)線及專利，均轉(zhuǎn)讓給Stanley Electric。

　　3、光宏研晶合資 搶攻LED殺菌市場

　　去年11月，臺灣LED廠光鋐與研晶預(yù)計共組品牌，進軍殺菌UVC LED市場，雙方已開始利用新合資品牌擴大行銷，估2017年產(chǎn)生營收貢獻。

　　4、臺塑石化宣布與日商日機裝(Nikkiso)攜手發(fā)展UV-LED事業(yè)

　　2017年1月25日，臺塑石化宣布與日商日機裝(Nikkiso)攜手發(fā)展UV-LED事業(yè)，生產(chǎn)深紫外光LED(Deep UVLED)晶粒及銷售深紫外光應(yīng)用產(chǎn)品，董事長陳寶郎表示，該合作案將聚焦水殺菌、空氣殺菌、樹脂固化及分析設(shè)備等。

　　這些企業(yè)的聯(lián)手可以看出，UV LED企業(yè)對于未來UV LED市場的進軍策略整體走勢是基于企業(yè)本身芯片的優(yōu)勢，加碼拓展終端應(yīng)用市場。此外，豐田合成、日亞化、首爾Viosys、隆達、圓融科技、鴻利智匯、國星光電等企業(yè)也在深紫外領(lǐng)域展開布局。

　　技術(shù)突破

　　最近，加拿大麥吉爾大學(xué)的研究人員制造出了一種氮化鋁鎵(AlGaN)激光二極管，其能夠輸出波長239nm的深紫外光，在室溫下運行，并且為電泵浦。此外，該原型具有約0.35mA的非常低的閾值電流。

　　模擬研究表明，隨機分布的AlGaN納米線可以強烈約束在240nm光譜區(qū)域的深紫外光子。研究人員確定了反向錐形納米線結(jié)構(gòu)，以使通過下面的硅(Si)襯底的損耗最小。

　　在制造工藝中，納米線自發(fā)地形成在Si襯底上，并且每個具有由n-GaN接觸層、n-AlGaN覆層、AlGaN有源區(qū)、p-AlGaN覆層和p-GaN接觸層組成的結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。研究人員介紹說，由納米線的隨機排列引起的光子重復(fù)散射導(dǎo)致干涉，并因此導(dǎo)致強的光局域化。

　　圖1：電注入AlGaN激光器由反向錐形納米線的隨機排列組成，如圖中所示。

　　AlGaN納米線的平均填充因子為0.55。由于納米線的不均勻性和制造的不完善，實際電流注入和激光運行僅在其中約50%中發(fā)生。單根納米線的計算腔體積和載流子復(fù)合體積分別為0.627μm3和0.165μm3。

　　首先，使用193nm波長的激發(fā)源進行室溫光致發(fā)光(PL)研究。所得到的PL光譜在246nm處具有20nm帶寬的發(fā)射峰，表明高達70%的Al組成和良好的Al均勻性。大約位于210nm處的第二個峰，表明AlN殼形成在AlGaN納米線側(cè)壁上，這有助于抑制非輻射表面復(fù)合。

　　接下來，通過光刻和金屬化方法來制造電注入的激光二極管。研究人員測量了低于和高于激光閾值的室溫電致發(fā)光光譜。在閾值下工作，產(chǎn)生寬發(fā)射光譜。當(dāng)電流達到0.35mA閾值時，239nm激光線開始出現(xiàn)。在閾值處，線寬約為0.9nm，但隨著電流逐漸升高到約1.4mA，線寬逐漸升高到約1.4nm。

　　研究人員先前已經(jīng)展示了在262nm和289nm發(fā)射的電注入AlGaN納米線深紫外激光器。這些激光器具有高得多的組成調(diào)控，形成量子點狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生僅僅幾十微安的非常低的閾值電流。但是因為高組成調(diào)控抑制較短波長的激光發(fā)射，研究人員不得不提高組成均勻性，以在239nm產(chǎn)生激光發(fā)射。較高的均勻性導(dǎo)致量子點狀性質(zhì)消失，并將閾值電流提高到0.35mA。但是239nm的閾值電流仍然相當(dāng)?shù)停@將有助于實現(xiàn)基于激光的、電池供電的深紫外儀器。

　　創(chuàng)業(yè)界deep-UV LED最低波長的紀錄

　　美國康乃爾大學(xué)的研究團隊，最新就研發(fā)出一種體積小且更環(huán)保的深紫外線LED光源，并創(chuàng)下目前業(yè)界deep-UV LED最低波長的紀錄。

　　研究人員采用原子級控制界面的氮化鎵(GaN)與氮化鋁(AlN)單層薄膜為反應(yīng)作用區(qū)域，成功發(fā)射出波長介于232到270奈米的深紫外LED。這種232奈米的深紫外線，創(chuàng)下使用氮化鎵為發(fā)光材料，所發(fā)出的光線波長最短記錄。

　　在成功提升深紫外LED的發(fā)光效率后，研究團隊的下一步是將光源整合到裝置內(nèi)，朝上市的目標邁進。深紫外光的應(yīng)用領(lǐng)域包含食物保鮮、假鈔辨別、光觸媒、水的凈化殺菌，等等。