紫外发光二极管发展现状及展望
作者:镓芯光电    发布于:2017-06-21

 

紫外波段依据波长通常可以划分为: 长波紫外或UVA320<λ≤400 nm)、中波紫外或UVB280<λ≤320 nm)、短波紫外或UVC200<λ≤280 nm)以及真空紫外VUV10<λ≤200 nm)。紫外发光二极管(LED)因其在激发白光、生化探测、杀菌消毒、净化环境、聚合物固化以及短距离安全通讯等诸多应用领域有着巨大的潜在应用价值而备受关注。此外,基于氮化铝镓(AlGaN)材料的紫外LED也是目前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,拥有广阔的应用前景。目前全球紫外光源市场规模约为4.27亿美元。与传统紫外汞灯相比,AlGaN基紫外LED有着长寿命、低电压、波长可调、环保、方向性好、迅速切换、耐震耐潮、轻便灵活等众多优点。

目前国际上在紫外LED领域技术水平处于先进行列的机构以美国和日本居多,此外还有柏林工业大学,韩国首尔半导体与LGInnotek,等等。国内研究机构以中国科学院半导体研究所为代表,长期引领国内本领域的技术发展,在国内紫外LED的产业化方面,中科优唯公司通过与中国科学院半导体研究所深度合作,在深紫外LED的外延芯片上游领域布局并取得突破。

 

 1从深紫外LED的发光波长与外量子效率(EQE)的角度总结了主要研究机构和公司在深紫外LED领域报导的代表性结果。可以看出,深紫外LEDEQE基本不超过10%,大部分量子效率在5%以下。实际上,目前可购买的UVBUVC波段LED产品的量子效率往往只有1%2%。这与浅紫外和蓝光LED的水准显然相去甚远。

   

                                                                                                  

2所示为蓝宝石衬底上典型的UV-LED外延结构图。与GaN基蓝光LED相比,深紫外LED的研制面临着许多独特的技术困难,如:高Al组分AlGaN的材料的外延生长困难,一般而言,Al组分越高,晶体质量越低,位错密度普遍在109cm-21010cm-2乃至更高; AlGaN材料的掺杂与GaN相比要困难得多,不论n型掺杂还是p型掺杂,随着Al组分的增加,外延层的电导率迅速降低,尤其是p-AlGaN的掺杂尤为棘手,掺杂剂Mg的激活效率低下,导致空穴不足,导电性和发光效率锐降;同时紫外LED往往在平面蓝宝石衬底上外延生长,出光效率低等等。针对这些技术难点,目前已经发展出一些解决方案,如AlN同质衬底技术、纳米图形衬底外延技术(NPSS透明p型层技术等等。

                                                 

在图2所示的外延结构中,可以看到,深紫外LED往往使用pGaN作为p型欧姆接触层,有时候这一层的厚度会达到上百纳米,而pGaN对于量子阱发出的深紫外波段光线有强烈的吸收,因此深紫外 LED一般采用倒装结构,如图3所示。通过采用对于深紫外光透明的pAlGaN层、减小pGaN层的厚度,可以有效缓解这一问题,提升深紫外LED器件的光提取效率。限制深紫外LED器件光提取效率的另一个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,大量的紫外光限制在外延层中出不来。对于UV-C LED,这一问题尤为严重,随着 Al 组分的增加和波长的减小,发光从TE 模式主导逐渐向 TM 模主导转化,而TM 模的光提取效率不到TE模的十分之一。

                                    

针对这些难题,近些年国内外已有一些研究突破。日本名城大学的研究人员通过在 DUV LED 蓝宝石背面制作蛾眼(moth-eye)结构获得了1.5倍的光提取效率提升。美国研究人员通过在 280 nm DUV LED 的蓝宝石背面制作微透镜阵列,在 20 mA 注入电流下光输出功率提高 55%。韩国研究人员的模拟结果显示,纳米柱结构能够非常有效的提高 DUV LED 的光提取效率,尤其是增加 TM 的光提取。中国科学院半导体研究所通过采用纳米图形衬底技术(如图4所示),在20 mA 的注入电流下,将283 nm DUV LED 的光输出功率由 1.5 mW 提高至 3 mW,外量子效率提升近一倍(如图5所示),其中很重要的提升因素源于纳米图形衬底带来的光提取增强效果。此外,紫外波段高反射电极、衬底剥离及垂直结构芯片等技术都可以帮助进一步提升深紫外LED的光输出功率。

 

                                 

尽管目前深紫外LED的效率和功率还不是很理想,但是可以初步应用于不少健康领域,因此近年来不断涌现出采用深紫外LED的消毒牙刷、水杯等各种新型应用产品。实际上,毫瓦级的深紫外光在很多具体场景中就足以实现良好的杀菌消毒效果。其原理在于,深紫外光源通过破坏微生物的DNARNA阻止其繁殖,实现高效快速的广谱杀菌。数据显示,仅以30mW/cm2UVC紫外辐照强度,一秒钟即可对绝大部分细菌实现近乎100%的杀灭,效果非常显著,可以广泛应用于医疗卫生领域。在个人健康和家庭卫生领域,紫外光可以用于水杯碗筷消毒、空气净化除菌、杀灭螨虫、鞋袜杀菌除臭、婴儿奶瓶消毒等等,用武之地简直不可胜数。而对于UVB波段特定波长的紫外线,可以为银屑病、白癜风等皮肤病和一些难治的疾病提供了优良解决方案。

未来随着深紫外材料外延水平的进一步提升,芯片器件新技术的应用,深紫外LEDEQE有望进一步提升到25%, 器件寿命将超过1万小时, 届时深紫外 LED 将会获得更广泛的应用。根据法国Yole公司的分析报告,过去的几年中UV LED的市场年增长率平均接近30%,而在接下来的几年中将加速增长。随着在所有应用中逐步提高的普及率,UVA LED的市场将从2015年的1亿美元增长到2021年的远超3亿美元;同时,随着UVC LED技术的进步和价格的降低,紫外线消毒/净化市场将获得显著增长,UVC LED市场有望从2015年的700万美元增长到2021年的6亿美元。在不远的将来,光催化、杀菌消毒都有可能成长为数百亿级的市场,而用于治疗皮肤病的光疗则可能让UV-LED的应用系统成为千亿级的市场。