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紫外发光二极管生长现状及展望
       紫外波段依据波长通?梢曰治: 长波紫外或UVA(320<λ≤400 nm)、中波紫外或UVB(280<λ≤320 nm)、短波紫外或UVC(200<λ≤280 nm)以及真空紫外VUV(10<λ≤200 nm)。紫外发光二极管(LED)因其在引发白光、生化探测、杀菌消毒、净化情况、聚合物固化以及短距离宁静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。别的,基于氮化铝镓(AlGaN)质料的紫外LED也是目前氮化物技术生长和第三代半导体质料技术生长的主要趋势,拥有辽阔的应用前景。目前全球紫外光源市场规模约为4.27亿美元。与古板紫外汞灯相比,AlGaN基紫外LED有着长寿命、低电压、波长可调、环保、偏向性好、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,别的另有柏林工业大学,韩国首尔半导体与LGInnotek,等等。海内研究机构以中国科学院半导体研究所为代表,恒久引领海内本事域的技术生长,在海内紫外LED的工业化方面,中科优唯公司通过与中国科学院半导体研究所深度相助,在深紫外LED的外延芯片上游领域结构并取得突破。
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       图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?梢钥闯,深紫外LED的EQE基本不凌驾10%,大部分量子效率在5%以下。实际上,目前可购置的UVB、UVC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。
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       图2所示为蓝宝石衬底上典范的UV-LED外延结构图。与GaN基蓝光LED相比,深紫外LED的研制面临着许多奇特的技术困难,如:高Al组分AlGaN的质料的外延生长困难,一般而言,Al组分越高,晶体质量越低,位错密度普遍在109cm-2—1010cm-2乃至更高 ; AlGaN质料的掺杂与GaN相比要困难得多,岂论n型掺杂照旧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,导致空穴缺乏,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,目前已经生长出一些解决计划,如AlN同质衬底技术、纳米图形衬底外延技术(NPSS)和透明p型层技术等等。
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       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抵达上百纳米,而pGaN关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一般接纳倒装结构,如图3所示。通过接纳关于深紫外光透明的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,大宗的紫外光限制在外延层中出不来。关于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。
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       针对这些难题,近些年海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久魅阵列,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,纳米柱结构能够很是有效的提高 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接纳纳米图形衬底技术(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。别的,紫外波段高反射电极、衬底剥离及笔直结构芯片等技术都可以资助进一步提升深紫外LED的光输出功率。
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       尽管目前深紫外LED的效率和功率还不是很理想,可是可以开端应用于不少健康领域,因此近年来不绝涌现出接纳深紫外LED的消毒牙刷、水杯等种种新型应用产品。实际上,毫瓦级的深紫外光在许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DNA和RNA阻止其滋生,实现高效快速的广谱杀菌。数据显示,仅以30mW/cm2的UVC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,效果很是显著,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。而关于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计划。
       未来随着深紫外质料外延水平的进一步提升,芯片器件新技术的应用,深紫外LED的EQE有望进一步提升到25%, 器件寿命将凌驾1万小时, 届时深紫外 LED 将会获得更广泛的应用。凭据法国Yole公司的剖析报告,已往的几年中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、杀菌消毒都有可能生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。
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