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              Ultraviolet LED 紫外LED簡(jiǎn)述

              2020/2/14 21:11:46 作者:邵嘉平 來(lái)源:阿拉丁照明網(wǎng)
              摘要:紫外LED一般指發(fā)光中心波長(zhǎng)在400nm以下的LED,但有時(shí)將發(fā)光波長(zhǎng)大于380nm時(shí)稱(chēng)為近紫外LED,而短于300nm時(shí)稱(chēng)為深紫外LED。因短波長(zhǎng)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 。

              (1) 首先來(lái)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(zhǎng)在400nm以下的LED,但有時(shí)將發(fā)光波長(zhǎng)大于380nm時(shí)稱(chēng)為近紫外LED,而短于300nm時(shí)稱(chēng)為深紫外LED。因短波長(zhǎng)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(zhǎng)分類(lèi)不贅述了,而且筆者習(xí)慣于寫(xiě)成UV-c,按照目前的通訊慣例。(不幸的是很多地方都寫(xiě)成UV-C, or UVC, etc.)

                   405nm Blu-ray Disk “藍(lán)光”光盤(pán)的標(biāo)準(zhǔn)激光讀寫(xiě)波長(zhǎng),也是種近紫外光。

                   265nm – 280nm UV-c band。

                   產(chǎn)品方面,日亞化學(xué)工業(yè)上市了發(fā)光中心波長(zhǎng)從365nm~385nm不等的品種,Nitride Semiconductor上市了發(fā)光中心波長(zhǎng)為355nm~375nm不等的品種。

                   波長(zhǎng)不足300nm的深紫外LED的開(kāi)發(fā)活動(dòng)也很活躍。2008年理化學(xué)研究所和松下電工曾公布,采用GaN類(lèi)半導(dǎo)體的InAlGaN四元化合物半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)出了發(fā)光中心波長(zhǎng)為282nm,光輸出功率為10mW的深紫外LED。

                   波長(zhǎng)更短的深紫外LED方面,NTT物性科學(xué)基礎(chǔ)研究所采用AlN材料開(kāi)發(fā)出了發(fā)光中心波長(zhǎng)為210nm的深紫外LED。

                   美國(guó)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(kāi)創(chuàng)性工作。(下圖是其代表性器件結(jié)構(gòu)。)


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

                   旭宇、國(guó)星、鴻利等有若干UV LED的封裝產(chǎn)品。

                   歐司朗與AlN單晶基板供應(yīng)商HexaTech公司簽署兩項(xiàng)戰(zhàn)略協(xié)議。這些協(xié)議包括長(zhǎng)期供應(yīng)協(xié)議和若干HexaTech的知識(shí)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(kāi)發(fā)項(xiàng)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(kāi)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(zhǎng)到紅外波長(zhǎng)的各種產(chǎn)品。

                   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(kuò)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(xiāo)售等業(yè)務(wù),由Stanley Electric負(fù)責(zé)。德山的深紫外線LED晶圓生產(chǎn)線及專(zhuān)利,均轉(zhuǎn)讓給Stanley Electric。

                   臺(tái)灣LED廠光鋐與研晶預(yù)計(jì)共組品牌,進(jìn)軍殺菌UV-c LED市場(chǎng),雙方已開(kāi)始利用新合資品牌擴(kuò)大行銷(xiāo)。

                   2017年臺(tái)塑石化宣布與日商日機(jī)裝(Nikkiso)攜手發(fā)展UV LED事業(yè),生產(chǎn)深紫外光LED(Deep UV LED)晶粒及銷(xiāo)售深紫外光應(yīng)用產(chǎn)品,該合作案將聚焦水殺菌、空氣殺菌、樹(shù)脂固化及分析設(shè)備等。

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              (2) 應(yīng)用背景介紹

              紫外LED (UV LED) 主要應(yīng)用在生物醫(yī)療、防偽鑒定、凈化 (水、空氣等) 除菌殺毒領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和軍事 (如LiFi不可見(jiàn)光保密通信) 等方面。

              而且隨著技術(shù)的發(fā)展,新的應(yīng)用還會(huì)不斷出現(xiàn)以替代原有的技術(shù)和產(chǎn)品。

              紫外LED有著廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景,如紫外LED光療儀是未來(lái)很受歡迎的醫(yī)療器械,但是目前技術(shù)還處于成長(zhǎng)期。

              傳統(tǒng)紫外光源與燈具廠商如下:


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              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(jià)比等方面還有很長(zhǎng)一段路要走。

              目前特別是UV-c 深紫外LED的效率,總體上類(lèi)似于2000年前后綠藍(lán)光LED的水平。

               

              (3) InN, GaN, AlN 紫外與藍(lán)綠LED的帶隙問(wèn)題 (外延相關(guān))

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

                     一般藍(lán)綠光LED為InxGa1-xN有源發(fā)光區(qū),壓應(yīng)變compressive strain

              ·     465nm 藍(lán)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(yīng)變tensile strain

                    Al組分約為70% +/-

              壓應(yīng)變、張應(yīng)變與能帶工程,外延層內(nèi)的應(yīng)變控制,是門(mén)大學(xué)問(wèn)!

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

               

              (4) UV LED的外延與芯片問(wèn)題

              半導(dǎo)體深紫外光源在照明、殺菌、醫(yī)療、印刷、生化檢測(cè)、高密度的信息儲(chǔ)存和保密通訊等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值。

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

              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(zhì)量差、鋁組分低、無(wú)法實(shí)現(xiàn)短波長(zhǎng)發(fā)光和結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)、芯片工藝等問(wèn)題。

              材料是器件性能的基礎(chǔ)與核心突破點(diǎn)。

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

              高Al組分下的應(yīng)變控制是關(guān)鍵。

               UV LED的歐姆接觸電極制作工藝也是很crucial的 ~

               隨之而來(lái)的是電流擴(kuò)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(wèn)題

              由于此前作為封裝材料使用的環(huán)氧類(lèi)樹(shù)脂材料在紫外光的作用下,容易出現(xiàn)樹(shù)脂性能惡化的現(xiàn)象,導(dǎo)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(guò)程中采用了不使用樹(shù)脂材料的方法。

              通過(guò)將LED芯片裝入金屬封裝內(nèi),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(lèi)藍(lán)紫色半導(dǎo)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(zhuān)利簡(jiǎn)要搜索

              剛搜索了下,UV LED相關(guān)的美國(guó)專(zhuān)利有近60,000條。


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              前文講到的Asif Khan這位老兄有186條。


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              早期的“大殺器”有:

              呵呵,諸君須努力,知識(shí)就是力量啊!??

                               

              (7) … … (to be continued!)

              倉(cāng)促成文,聊博一笑,以期拋磚引玉,引同好共努力!




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