Ultraviolet LED 紫外LED簡述

(1) 首先來一些舊聞 / web search，扼要 摘取 如下，先熟悉下本文背景情況：

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    紫外LED一般指發(fā)光中心波長在400nm以下的LED，但有時將發(fā)光波長大于380nm時稱為近紫外LED，而短于300nm時稱為深紫外LED。因短波長光線的殺菌效果高，因此紫外LED常用于冰箱和家電等的殺菌及除臭等用途 。

     UVA / UVB / UVC的波長分類不贅述了，而且筆者習慣于寫成UV-c，按照目前的通訊慣例。(不幸的是很多地方都寫成UV-C, or UVC, etc.)

     405nm Blu-ray Disk “藍光”光盤的標準激光讀寫波長，也是種近紫外光。

     265nm – 280nm UV-c band。

     產品方面，日亞化學工業(yè)上市了發(fā)光中心波長從365nm～385nm不等的品種，Nitride Semiconductor上市了發(fā)光中心波長為355nm～375nm不等的品種。

     波長不足300nm的深紫外LED的開發(fā)活動也很活躍。2008年理化學研究所和松下電工曾公布，采用GaN類半導體的InAlGaN四元化合物半導體開發(fā)出了發(fā)光中心波長為282nm，光輸出功率為10mW的深紫外LED。

     波長更短的深紫外LED方面，NTT物性科學基礎研究所采用AlN材料開發(fā)出了發(fā)光中心波長為210nm的深紫外LED。

     美國南卡羅萊納州立的Asif Khan教授小組曾在AlGaN深紫外LED的研究方面（外延與器件工藝）作出很多早期開創(chuàng)性工作。(下圖是其代表性器件結構。)

     目前，首爾Viosys、中科潞安、青島杰生（由馬鞍山圓融收購）、深圳深紫、武漢優(yōu)煒星、美國Bolb等有UV-c LED產品，但普遍光效（外量子效率）尚須進一步提升。

     旭宇、國星、鴻利等有若干UV LED的封裝產品。

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

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

     臺灣LED廠光鋐與研晶預計共組品牌，進軍殺菌UV-c LED市場，雙方已開始利用新合資品牌擴大行銷。

     2017年臺塑石化宣布與日商日機裝（Nikkiso）攜手發(fā)展UV LED事業(yè)，生產深紫外光LED（Deep UV LED）晶粒及銷售深紫外光應用產品，該合作案將聚焦水殺菌、空氣殺菌、樹脂固化及分析設備等。

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(2) 應用背景介紹

紫外LED (UV LED) 主要應用在生物醫(yī)療、防偽鑒定、凈化 (水、空氣等) 除菌殺毒領域、計算機數(shù)據(jù)存儲和軍事 (如LiFi不可見光保密通信) 等方面。

而且隨著技術的發(fā)展，新的應用還會不斷出現(xiàn)以替代原有的技術和產品。

紫外LED有著廣闊的市場應用前景，如紫外LED光療儀是未來很受歡迎的醫(yī)療器械，但是目前技術還處于成長期。

傳統(tǒng)紫外光源與燈具廠商如下：

傳統(tǒng)紫外光源為HID燈。

UV LED要完全替換傳統(tǒng)紫外光源，在效率、性價比等方面還有很長一段路要走。

目前特別是UV-c 深紫外LED的效率，總體上類似于2000年前后綠藍光LED的水平。

(3) InN, GaN, AlN 紫外與藍綠LED的帶隙問題 (外延相關)

       InN、GaN、AlN均為直接帶隙半導體，禁帶寬度分別為1.9 eV, 3.4 eV, 6.2 eV。

       一般藍綠光LED為InxGa1-xN有源發(fā)光區(qū)，壓應變compressive strain

·     465nm 藍光In組分約為20% +

·     525nm 綠光In組分約為30% +

       265nm的AlxGa1-xN有源發(fā)光區(qū)，張應變tensile strain

壓應變、張應變與能帶工程，外延層內的應變控制，是門大學問！

還有AlGaN/GaN多量子阱有源區(qū)的載流子注入、輸運與泄漏等問題。

(4) UV LED的外延與芯片問題

半導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域具有重大應用價值。

以AlGaN材料為有源區(qū)的深紫外LED的發(fā)光波長能夠覆蓋210nm - 365nm的紫外波段，是實現(xiàn)該波段深紫外LED器件產品的理想材料，具有其它傳統(tǒng)紫外光源無法比擬的優(yōu)勢。

基于MOCVD的深紫外LED外延材料和芯片器件研究工作，須著重解決材料存在的表面裂紋、晶體質量差、鋁組分低、無法實現(xiàn)短波長發(fā)光和結構材料設計、芯片工藝等問題。

材料是器件性能的基礎與核心突破點。

 MOCVD反應室 Reactor中Al的“記憶”效應，memory effect，這個真是記憶深刻、乃至可以說刻骨銘心！?? OELAB的MOCVD師兄弟們 ~ 想必如果看到此節(jié) 必然是會心一笑。

高Al組分下的應變控制是關鍵。

 UV LED的歐姆接觸電極制作工藝也是很crucial的 ~

 隨之而來的是電流擴展spreading / electrodes design, 又要不遮光、又要均勻注入 ~

Flip Chip design seems to be the main stream architecture ~

(5) UV LED的封裝主要問題

由于此前作為封裝材料使用的環(huán)氧類樹脂材料在紫外光的作用下，容易出現(xiàn)樹脂性能惡化的現(xiàn)象，導致透明性降低，從而使得LED亮度也隨之降低。

因此，為了解決LED封裝器件因紫外光而出現(xiàn)的性能惡化現(xiàn)象，在封裝過程中采用了不使用樹脂材料的方法。

通過將LED芯片裝入金屬封裝內，不使用任何其他封裝材料而直接用金屬殼體及玻璃等蓋封住。(這種方法此前一直在GaN類藍紫色半導體激光器中采用。)

UV LED的封裝還有很多其他trick之處。

(6) UV LED的專利簡要搜索

剛搜索了下，UV LED相關的美國專利有近60,000條。

前文講到的Asif Khan這位老兄有186條。

最新的23條：

早期的“大殺器”有：

呵呵，諸君須努力，知識就是力量?。?/span>??

(7) … … (to be continued!)

倉促成文，聊博一笑，以期拋磚引玉，引同好共努力！