紫外LED

简介

　　紫外LED主要采用GaN类半导体。产品方面，日亚化学工业上市了发光中心波长从365nm～385nm不等的品种，Nitride Semiconductor上市了发光中心波长为355nm～375nm不等的品种。

　　波长不足300nm的深紫外LED的开发活动也很活跃。2008年理化学研究所和松下电工曾公布，采用GaN类半导体的InAlGaN开发出了发光中心波长为282nm，光输出功率为10mW的深紫外LED。波长更短的深紫外LED方面，NTT物性科学基础研究所采用AlN材料开发出了发光中心波长为210nm的深紫外LED。

应用

　　紫外LED(UV LED)主要应用在生物医疗、防伪鉴定、净化(水、空气等)领域、计算机数据存储和军事等方面。而且随着技术的发展,新的应用会不断出现以替代原有的技术和产品,紫外LED有着广阔的市场应用前景,如紫外LED光疗仪是未来很受欢迎的医疗器械,但是目前技术还处于成长期。

国内发展现状

　　“十一五”国家863计划新材料技术领域重大项目“半导体照明工程”课题“深紫外LED 制备和应用技术研究”经过持续攻关，在高铝组分材料研究和器件应用方面取得重要突破。

　　半导体深紫外光源在照明、杀菌、医疗、印刷、生化检测、高密度的信息储存和保密通讯等领域具有重大应用价值。以AlGaN材料为有源区的深紫外LED的发光波长能够覆盖210-365nm的紫外波段，是实现该波段深紫外LED器件产品的理想材料，具有其它传统紫外光源无法比拟的优势。

　　在国家863计划支持下，课题研究团队集中开展了基于MOCVD的深紫外LED材料和器件研究工作，着重解决材料存在的表面裂纹、晶体质量差、铝组分低、无法实现短波长发光和结构材料设计等问题，在一些关键技术方面取得了突破，获得了高结晶质量无裂纹的高铝组分材料。在此基础上，课题在国内首次成功制备了300nm以下的深紫外LED器件，实现了器件的毫瓦级功率输出，开发了深紫外杀菌模块，经测试杀菌率达到95%以上。

技术探讨

　　紫外LED正在受到照明设备厂商及液晶显示器厂商的广泛关注。因为通过配合使用紫外光与可将紫外光分别转换成红色（R）、绿色（G）、蓝色（B）的荧光材料，有可能实现具有较强色彩再现力的白色LED。目前，市售的白色LED 大多使用的是蓝色LED以及将蓝色光转换成黄色光的荧光体材料，红色光成份较弱。将白色光照射在红色物质上时会显现出微弱的橙色。如果要用于背光灯的话，就只好在彩色滤波器上想办法。但如果是紫外LED的话，就可以解决这些问题。不过，由于紫外LED的发光效率较使用蓝色LED的产品大约要低一半，因此亮度就成了紫外LED的一大课题。

　　上述技术发表后，如何生产出具有与使用蓝色LED 相同亮度的白色LED，各LED厂商的解决方案一下子变得明朗了。

　　芯片尺寸与封装是开发中的关键所在

　　日亚化学工业之所以能实现100mW的高功率，原因主要有两个：其一，将封装LED芯片面积扩大到普通LED的10倍，即1mm×1mm。此举便使得功率远高于此前其它公司的产品。

　　其二是：为了解决LED因紫外光而出现的性能恶化现象，在封装过程中采用了不使用树脂材料的方法。通过将LED芯片装入金属封装内，不使用任何封装材料直接用金属盖封住。这种方法此前该公司一直在GaN类蓝紫色半导体激光器中采用。由于此前作为封装材料使用的环氧类树脂材料在紫外光的作用下，容易出现树脂性能恶化的现象，导致透明性降低，从而使得LED亮度也随之降低。

　　另外，还有一个不可忽视的特点。那就是将紫外 LED发光波长设定为380nm。在波长为405nm的产品中，已经存在具有更高输出功率的紫外LED。例如，美国Cree公司供应的紫外LED工业样品的输出功率为250mW。但是，考虑到目前使用的荧光材料，380nm波长LED的RGB 转换效率要更高一些。

　　包括山口大学等院校参加的“21世纪照明工程”正在探讨使用400nm波长紫外LED的可行性。因为“波长380nm的光，在提高使用紫外LED制造的白色LED的发光效率时早晚都要面临极限”（该大学工学部教授、“21世纪照明工程”项目负责人田口常正）。

　　该工程主张波长为 400nm的理由主要有两个。一个是紫外LED本身的外部量子效率在400nm附近。2002年3月7日、8日于东京召开的“白色LED与新照明系统的应用”论坛上三菱电线工业与Stanley电气、山口大学共同发布的数据显示，波长400nm的外部量子效率是380nm的近2倍。外部量子效率表示的是向LED内部注入1个电子时，从LED向外部放射的光子的数量。这一数值越高，输入LED的电能以热能扩散的可能性就越小。

　　另一个理由是使用400nm波长，有望提高荧光体的 RGB转换效率。其理由是RGB各自的波长与紫外光之间的波长差距较小。波长差距越大，波长转换前后的光能量差也就越大。这一能量差将转换成热量，最终会减少转换成光的能量。白色LED本身的外部量子效率方面， “很有可能还是波长400nm的光”（山口大学 田口）。

　　剩下的课题是荧光材料和树脂材料

　　为了进一步提高紫外LED的外部量子效率，“21世纪照明工程”将采用对使用于LED的蓝宝石底板的表面进行加工的方法。将该表面加工成线条状后，形成GaN类半导体。通过这项技术，可以将降低外部量子效率的主要原因--结晶缺陷降低到原产品的约1/3（1.5× 108cm-2），外部量子效率提高至2.5倍。同时，蓝宝石底板的加工费不会太高。“虽然底板成本多少有些提高，但是生产LED的生产能力不会降低。LED芯片的生产成本将会与目前基本持平”（三菱电线工业 信息通信业务本部 信息通信光子研究所光半导体部门主任研究员只友一行）。

　　当前，将400nm紫外LED用于白色LED所面临的课题是，如何开发由400nm附近的光激励的荧光材料以及不会因这种光而出现性能恶化的封装材料。

　　荧光材料方面，存在的问题依然是红色光的转换。目前，虽然已经发现了能够将 400nm附近的紫外光有效地转换成绿色及蓝色的材料，但是能够转换成红色的材料只发现了低效率的品种。虽然在该工程中负责开发荧光体的化成 Optonix表示，通过将红色荧光体Y2O2S:Eu的Y转换成La，可以将效率提高至原来的2倍，但这离实现高效率的白色LED还有一段距离。

　　封装材料方面，如果要以白色LED的量产为目标的话，就需要使用容易进行封装的树脂材料。一般情况下，环氧树脂之所以在400nm左右的紫外光中出现性能恶化，是因为树脂中的苯环双重结构被紫外光所激励，加速了树脂的氧化过程。参加该工程的Stanley电气正在开发不使用苯环而且具有高耐热结构的树脂。因为如果省略了苯环，材料就容易因过热而出现性能恶化。（记者：大久保聪）

　　日亚化学工业将于2002年5月上市的紫外LED光输出功率提高到了100mW。LED芯片面积为1mm×1mm，是普通LED的10倍。另外，封装芯片时并没有使用树脂类材料。

　　由日亚化学工业、美国Cree公司和NECD等公司推动的“21世纪照明工程”的GaN类LED外部量子效率比较。在400nm附近，外部量子效率达到值。如果波长超过400nm，外部量子效率就会缓慢降低。如果小于400nm，外部量子效率则会急剧降低。

　　21世纪照明工程正在开发的GaN类LED构造。要想提高LED的外部量子效率，减少LED中的结晶缺陷是关键。与不加工蓝宝石底板的普通方法相比，LEPS技术（在沿（11—20）或（1—100）方面加工出沟道的蓝宝石底板上形成GaN类LED的技术）可以减少约1/3的结晶缺陷。

　　使用于荧光灯及彩色电视接收机的荧光材料更容易吸收300nm附近的光。但是，在LED外部量子效率高的400nm 附近，将光转换成绿色及蓝色的荧光体材料的光吸收强度大约是峰值 2/3，而转换成红色光的荧光体材料的吸收强度只有约1/10。另外，激励强度方面，波长380nm时的数值为100。