深紫外LED研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用分析

隨著LED技術(shù)不斷發(fā)展，其發(fā)光波長(zhǎng)已經(jīng)由可見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))。

一、紫外LED制造技術(shù)簡(jiǎn)介

1、發(fā)光材料的制備

外延生長(zhǎng)工藝為，通過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)示意圖見下圖1。

圖1 深紫外LED的外延結(jié)構(gòu)示意圖

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(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。

圖2 深紫外LED的倒裝芯片的結(jié)構(gòu)示意圖

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。

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3。

圖3 深紫外LED的工藝流程圖

二、目前的研究進(jìn)展及存在問題

經(jīng)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(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)。

1、功率低

深紫外LED外量子效率已超過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、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。

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。

三、深紫外LED的應(yīng)用

深紫外LED與傳統(tǒng)的紫外汞燈性能相比較，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。

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) 殺菌過程是1個(gè)物理破壞過程，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。

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。

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

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。

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。可應(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。

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、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。