紫外LED的发展现状及展望

  根据波长，紫外波段一般可分为：长波紫外或UVA（320）<λ≤400nm)、中波紫外或UVB(280)<λ≤320nm)、短波紫外或UVC(200)<λ≤280nm)和真空紫外VUV(10<λ≤200nm)[1]。紫外线发光二极管(LED)因其在激发白光、生化探测、杀菌消毒、净化环境、聚合物固化、短距离安全通信等应用领域具有巨大的潜在应用价值而备受关注。此外，基于氮化铝镓(AlGaN)紫外LED也是氮化物技术发展和第三代半导体材料技术发展的主要趋势，具有广阔的应用前景。目前，全球紫外线市场规模约为4.27亿美元，但传统的紫外线汞灯仍占据市场主导地位。与传统的紫外汞灯相比，AlGan基紫外LED具有寿命长、电压低、波长可调、环保、方向性好、切换快、抗震防潮、轻便灵活等优点。随着技术的发展，它将成为未来新应用的主流。

目前，美国和日本是世界上处于紫外LED领域技术先进水平的机构，如南卡罗来纳州立大学、SETi公司、北卡罗来纳州立大学、Crystalis公司、日本名城大学、名古屋大学、理化研究所、NTT基础研究实验室、Nikiso公司、柏林理工大学、韩国首尔半导体和LGInotek等。国内研究机构以中国科学院半导体研究所为代表，长期引领国内技术发展，通过与北京大学、厦门大学、西安电子科技大学的合作研究，共同推动自主技术的不断进步。

深紫外LED的发光波长和外量子效率(EQE)从这个角度来看，总结了主要研究机构和公司在深紫外LED领域报道的代表性结果。可见，深紫外LED的EQE基本不超过10%，大部分量子效率低于5%。事实上，目前可以购买的UVB、UVC波段LED产品的量子效率往往只有1%-2%。这显然与浅紫外线和蓝光LED水平相去甚远。

蓝宝石衬底上典型的UV-LED延伸结构图。与Gan基蓝光LED相比，深紫外LED的开发面临着许多独特的技术困难，如高Al成分AlGan材料的延伸生长困难。一般来说，Al成分越高，晶体质量越低，位错密度一般为109cm-2-1010cm-2甚至更高；与Gan相比，AlGan材料的混合要困难得多。随着Al成分的增加，外延层的电导率迅速降低，特别是p-AlGan的混合特别困难，混合剂Mg的激活效率低，导致缺陷、导电性和发光效率急剧下降；同时，紫外LED经常在平面蓝宝石衬底上延伸生长，发光效率低，等等。针对这些技术困难，开发了一些解决方案，如Aln同质衬底技术、纳米图形衬底延伸技术等(NPSS)以及透明p型层技术等。

   在延伸结构中，我们可以看到深紫外线LED经常使用pgan作为p型欧姆接触层，有时这一层的厚度会达到几百纳米，而pgan对量子陷阱发出的深紫外线波段光有很强的吸收作用，因此深紫外线LED一般采用倒装结构，如图3所示。通过使用透明的palGan层，降低pgan层的厚度，可以有效缓解这一问题，提高深紫外线LED器件的光提取效率。另一个限制深紫外线LED器件光提取效率的重要因素是平面蓝宝石衬底。平面蓝宝石衬底导致严重的界面全反射，外延层无法产生大量紫外线限制。对于紫外线来说-CLED，这个问题特别严重。随着Al成分的增加和波长的减小，发光逐渐从TE模式转变为TM模型，TM模型的光提取效率不到TE模型的十分之一。

针对这些问题，国内外近年来取得了一些研究突破。日本名城大学的研究人员在DUVLED蓝宝石背面制作蛾眼(moth-eye)光提取效率提高1.5倍。美国研究人员在280nmdUVLED蓝宝石背面制作微透镜阵列，在20ma注射电流下光输出功率提高55%。根据韩国研究人员的模拟结果，纳米柱结构可以有效地提高DUVLED的光提取效率，特别是TM的光提取。中国科学院半导体研究所采用纳米图形衬底技术（如图4所示），将283nmdUVLED的光输出功率从1.5mW提高到3mW，外量子效率提高近一倍，其中非常重要的提高因素来自纳米图形衬底带来的光提取增强效果。此外，高反射电极、衬底剥离和垂直结构芯片可以帮助进一步提高深紫外LED的光输出功率。

虽然深紫外线LED的效率和功率不是很理想，但它可以初步应用于许多健康领域。因此，近年来，深紫外线LED消毒牙刷、水杯等新型应用产品不断涌现。事实上，毫瓦深紫外线在许多具体场景中足以达到良好的杀菌效果。其原理是深紫外线光源通过破坏微生物的DNA和RNA来防止其繁殖，从而实现高效快速的广谱杀菌。数据显示，只有30mW/cm2的UVC紫外线辐射强度才能在一秒钟内杀灭绝大多数细菌近100%，效果非常显著，可广泛应用于医疗卫生领域。在个人健康和家庭健康领域，紫外线可用于水杯、碗筷消毒、空气净化消毒、螨虫杀灭、鞋袜杀菌除臭、婴儿奶瓶消毒等。对于UVB波段特定波长的紫外线，它可以为银屑病、白癜风等皮肤病和一些难治性疾病提供很好的解决方案。