深紫外LED的應(yīng)用市場(chǎng)領(lǐng)域
文章來源:恒光電器
發(fā)布時(shí)間:2015-10-29
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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)，國內(nèi)資訊，CE認(rèn)證，產(chǎn)業(yè)資訊，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371nm的GaN基紫外發(fā)光LED。2003年，美國SETi公司開發(fā)出波長(zhǎng)為280nm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250~350nm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，照明方案，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源于太陽輻射，LED照明品牌，根據(jù)波長(zhǎng)可把紫外線分為長(zhǎng)波紫外線(ultravioletA，UVA）、中波紫外線(ultravioletB，設(shè)計(jì)，UVB)和短波紫外線(ultravioletC，UVC)，波長(zhǎng)分別為320~400nm，280~320nm，恒光電器，100~280nm。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)）。
紫外LED制造技術(shù)簡(jiǎn)介
1.1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。
1.2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，節(jié)能與環(huán)保，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。
1.3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，圖3為常用的封裝形式。
1.4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4。
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，280nm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5mW，商業(yè)照明，壽命達(dá)5000h。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(230~400nm）、紫外線身份驗(yàn)證、條碼(230~280nm）、飲用水殺菌、便攜式殺菌（240~280nm）。
2.1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，車間照明，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1X107cm2，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，LED射燈，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。
2.2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。
2.3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。
深紫外LED的應(yīng)用
深紫外LED與傳統(tǒng)的紫外汞燈性能對(duì)比見下表，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1000倍。比如單顆LED的發(fā)光面積僅僅為0.3mmX0.3mm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1mW。
（2）環(huán)保：半導(dǎo)體材料無毒無害，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。
3.1殺菌消毒
紫外線有效消毒的波長(zhǎng)區(qū)間為240~300nm，企業(yè)資訊，它可以破壞細(xì)菌的復(fù)制基因鏈，使其無法復(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）無毒、無殘留和無異味。
（3）細(xì)胞壁和病毒蛋白質(zhì)外殼均對(duì)深紫外線無法阻擋。
（4）對(duì)DNA、RNA造成統(tǒng)一破壞， led質(zhì)量，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。
3.2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。
日前重點(diǎn)開發(fā)的主要應(yīng)用市場(chǎng)
4.1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。
4.2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。
4.3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)。
4.4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。
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