深紫外LED研究进展与产业化应用分析

随着LED技术不断发展，其发光波长已经由可见光波段拓展到深紫外波段，其技术逐渐成熟和成本下降将使得紫外LED应用更加广泛，甚至可能超越目前的蓝光LED。从深紫外LED的发光特点，制作工艺等方面，重点介绍深紫外LED的目前的研究进展与产业化应用。

1997年，日亚化学成功研发世界首个发光波长为371 nm的GaN基紫外发光LED。2003年，美国SETi公司开发出波长为280 nm的A1GaN基深紫外LED 。2014年10月24日，诺贝尔物理学奖获得者之一天野浩在记者见面会上介绍了自己正在进行的研究，其中包括波长为250~350 nm左右的深紫外LED。

紫外LED作为LED的1个分支，虽不能照明但具备LED的所有优势，理论上可以替代所有传统紫外光源，极大地拓展了LED的应用领域。最常见的紫外线主要是来源于太阳辐射，根据波长可把紫外线分为长波紫外线(ultraviolet A ， UVA)、中波紫外线(ultraviolet B，UVB)和短波紫外线(ultravioletC，UVC)，波长分别为320~400 nm，280~320nm， 100~280 nm。能够到达地球表面的紫外线主要包括长波紫外线UVA和中波紫外线UVB，而短波紫外线UVC基本都被大气中的臭氧层吸收(因此UVC属于日盲区)。

一、紫外LED制造技术简介

1、发光材料的制备

外延生长工艺为，通过MOCVD设备在蓝宝石衬底上依次生长A1N模板层、N型A1GaN层、多量了阱发光层、电了阻挡层和P型GaN接触层，外延结构示意图见下图1。

图1  深紫外LED的外延结构示意图

2、电极制作工艺

芯片工艺，通过光刻、刻蚀漏出N型接触层，通过蒸镀以及合金，N型、P型与电极形成欧姆接触(如图1)，然后通过减薄、裂片，对小芯粒进行分选，倒装到绝缘的硅片上。图2是倒装芯片的结构示意图。

图2  深紫外LED的倒装芯片的结构示意图

3、封装方式

封装方式影响出光效率，而透镜封装和非透镜封装对紫外LED的出光影响尤其很大。另外，不同管座引起的散热和防静电能力不同，也会影响器件寿命。

4、制造工艺流程

深紫外LED的工艺流程与蓝光基本相同，主要区别是蓝光可以透过顶层P型，而深紫外LED由于p-GaN的吸收，只能采用倒装方法从背面出光。深紫外LED的工艺流程见图3。

图3  深紫外LED的工艺流程图

二、目前的研究进展及存在问题

经过10多年研究和发展，280 nm以下的深紫外LED外量子效率已超过5%，对应发光功率大于5 mW，寿命达5 000 h。功率的提升推动应用领域的发展，深紫外线LED的用途包括：光学传感器和仪器(230~400 nm)、紫外线身份验证、条码(230~280 nm)、饮用水杀菌、便携式杀菌(240~280 nm)。

1、功率低

深紫外LED外量子效率已超过5%，但与蓝光的60%相比仍然很低，其原因如下。

(1)模板材料质量缺陷，在蓝宝石上外延的A1N材料的位错密度高达1X109cm2，而图形衬底生长的GaN材料的位错密度约为1 X10 7cm2，故采用图形衬底提高模板材料质量。

(2)多层结构中深紫外光的全内反射损失，以及P型电极的吸收导致光提取效率差，目前光萃取效率只有6%。须取得对p型欧姆接触的突破，减少对高吸光p-GaN的依赖;优化多层异质结之问的折射率差;运用图形衬底;粗化出光面。

(3)高铝组分的A1GaN会出现明显的量了极化效应，使量子阱和垒中出现极化电场，导致工作电压升高和量子效率下降。解决办法为使用非极性面(如a面)蓝宝石作为衬底，或采用组分渐变方法进行抵消。

2、散热性差

外量子效率低致使大部分电能转化为热能，因此散热问题很关键。从芯片和封装方面看，薄膜倒装深紫外LED和倒装焊深紫外LED可以提高散热，可制作高功率深紫外LED。

3、寿命低

与蓝光的100000h比，深紫外LED的寿命只有5000h，其低寿命主要归因于材料缺陷和散热不良，以及封装材料受紫外线照射易老化。

三、深紫外LED的应用

深紫外LED与传统的紫外汞灯性能相比较，紫外LED具有的优势如下。

(1)高效：单位面积的光强超过汞灯的1 000倍。比如单颗LED的发光面积仅仅为0.3 mm X 0.3mm但光功率大于1mW，而汞灯在如此小的面积上发出的光功率不到1 mW 。

(2)环保：半导体材料无毒无害，紫外LED也不含任何有毒物质。

(3)节能：同样的光输出功率，耗能仅是汞灯的1/10。

(4)可靠：体现在开关特性和使用寿命可智能控制方面。由于LED的发光特性，脉冲式的开关对LED的寿命没有任何影响，6V的直流电接通就同步发出紫外线，而汞灯的开关则直接影响其寿命，因此与传统的汞灯相比，LED的紫外线发出和控制极为简单便利。

1、杀菌消毒

紫外线有效消毒的波长区间为240~300 nm，它可以破坏细菌的复制基因链，使其无法复制，从而达到杀菌目的，其杀菌特点如下。

(1) 杀菌过程是1个物理破坏过程，与化学药剂不同，它不受温度、浓度、活性等化学平衡条件影响。

(2)无毒、无残留和无异味。

(3)细胞壁和病毒蛋白质外壳均对深紫外线无法阻挡。

(4)对DNA、RNA造成统一破坏，不必更换药品。

(5)不必使用组合药剂。

(6)特别适合空气、水和物体表面消毒。

2、紫外LED的其他应用领域

紫外LED的应用领域极其广泛，主要可以用于以下方面。

(1)水净化，杀灭水中的细菌和病毒，可用于饮用水净化、家庭鱼缸净化、污水降解(二恶英Dioxin)、淡水和海水养殖业等。

(2)空气净化，杀灭空气中的细菌，可用于空调和加湿器、UV光触媒净化器、化工和生医空气净化等。

(3)国防与安全，紫外探测，紫外通讯等。

(4)食品加工保鲜，食品、饮料以及蔬菜的包装、肉类加工、餐饮业、食品零售和冰箱存储等。

(5)医疗领域，皮肤病的治疗，以及切断传染途径、公共场所、学校便携式杀菌产品等。

四、日前重点开发的主要应用市场

1、发光材料的制备

利用深紫外线在水中的穿透性，有效杀灭细菌和病毒，保证饮水安全。可应用产品：家用饮水机、消毒水杯、鱼缸杀菌、消毒笔等各种消毒饮水器具。

2、空气类杀菌

利用深紫外线的杀菌功能，可有效阻断细菌和病毒在空气中的传播。可应用产品：空调(家用空调、大型空调)、加湿器、除湿器、空气灭菌器 (台式、车载)等。

3、食品类杀菌

利用深紫外线直接照射附着保鲜膜的食品，可有效杀灭细菌、霉菌甚至病毒，延长食品的保质期。可应用产品：冰箱、各种消毒柜、除湿器、空气灭菌器(台式、车载)。

4、医疗器械类

利用深紫外线的杀菌消炎、止痛、刺激抗体生长加快愈合等功能，可用于血疗和光治疗两大领域。

随着紫外LED的发光功率的提升和成本的下降，未来紫外LED的应用会更加广泛，比目前的蓝光LED更加突出，将成为本世纪最具影响力的半导体产品之一。