淺談紫外LED芯片的應(yīng)用與發(fā)展

袁章潔

摘 要：由于藍(lán)綠光與紅黃光LED價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈，促使眾多LED廠商積極尋找新的利潤(rùn)突破點(diǎn)，此時(shí)，紫外（UV）LED逐漸受到關(guān)注。近年來(lái)隨著紫外LED技術(shù)的提升其市場(chǎng)應(yīng)用也在快速成長(zhǎng)，預(yù)期紫外LED技術(shù)將會(huì)有更大的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：紫外LED芯片 ?分類(lèi) ?應(yīng)用 ?發(fā)展

中圖分類(lèi)號(hào)：TN383 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（c）-0094-02

1 紫外LED的分類(lèi)與應(yīng)用

紫外LED一般指發(fā)光中心波長(zhǎng)在405 nm以下的LED， LED業(yè)界通常將發(fā)光波長(zhǎng)位于355～405 nm時(shí)稱(chēng)為近紫外LED，而短于300 nm時(shí)稱(chēng)為深紫外LED。目前在LED的研究和生產(chǎn)中用到最多的材料GaN的禁帶寬度為3.4 eV，對(duì)應(yīng)的發(fā)光波長(zhǎng)為365 nm，剛好處于近紫外波段范圍，因此，近紫外LED中一般采用GaN作為基材。而深紫外LED通過(guò)在基材GaN中添加Al擴(kuò)大帶隙，獲得更短的發(fā)光波長(zhǎng)。按照更詳細(xì)的波段與用途，紫外LED可以分為以下三類(lèi)：（1）UVA：波長(zhǎng)在315～405 nm之間，主要用于固化，醫(yī)療，印刷，光刻，驗(yàn)鈔和光催化等;（2）UVB：波長(zhǎng)在280～315 nm之間，主要用于醫(yī)療，生物分析（如DNA）等;（3）UVC：波長(zhǎng)小于280 nm，主要用于殺菌（水、空氣凈化）和成分分析等。與傳統(tǒng)的紫外汞燈相比紫外LED光源具有：節(jié)能省電不含汞，光束角小所需要透鏡少，體積小不易碎，響應(yīng)速度快，使用壽命長(zhǎng)，發(fā)熱少使用安全等優(yōu)點(diǎn)。

某業(yè)界權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)估紫外LED在未來(lái)3年內(nèi)市場(chǎng)需求將持續(xù)保持高速增長(zhǎng)，其中以紫外固化為最大應(yīng)用，其他包含PCB曝光與半導(dǎo)體黃光曝光，以及生技醫(yī)療領(lǐng)域的殺菌應(yīng)用，市場(chǎng)將逐年擴(kuò)大。其中紫外固化方面的有兩個(gè)較大的市場(chǎng)需求增長(zhǎng)點(diǎn)：一是紫外LED美甲固化燈，憑借節(jié)能環(huán)保，安全便攜，響應(yīng)速度快，固化時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)正在大范圍取代傳統(tǒng)汞燈美甲固化燈。而愛(ài)美之心人皆有之，女性消費(fèi)者對(duì)美甲的需求量日益劇增，近年來(lái)全國(guó)的美甲店數(shù)量一致保持快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，美甲行業(yè)的持續(xù)火爆也給紫外LED美甲固化燈帶了更廣泛的市場(chǎng)。二是UV膠在制作業(yè)中的廣泛應(yīng)用，給紫外LED固化光源帶來(lái)了市場(chǎng)，例如手機(jī)巨頭蘋(píng)果公司（Apple）使用UV膠涂布保護(hù)感測(cè)元件避免紫外線侵害，并采用紫外 LED取代傳統(tǒng)紫外汞燈作為固化光源，在蘋(píng)果領(lǐng)頭帶動(dòng)之下促使紫外 LED市場(chǎng)應(yīng)用快速成長(zhǎng)。

2 前面談了紫外LED的分類(lèi)與應(yīng)用，下面來(lái)談一談目前紫外LED的研究現(xiàn)狀與研究難點(diǎn)

這幾年，我國(guó)紫外LED技術(shù)應(yīng)用發(fā)展相對(duì)迅速，除了一些科研院所在紫外LED取得了豐碩的研究成果外，國(guó)內(nèi)的LED企業(yè)也在紫外LED領(lǐng)域開(kāi)拓出屬于自己的市場(chǎng)，在近紫外LED芯片領(lǐng)域以西安中為光電、亞威朗光電、華磊光電等為代表上游公司都有涉及近紫外芯片。紫外LED芯片發(fā)光的波長(zhǎng)越短，技術(shù)難度就越大，在深紫外LED芯片領(lǐng)域我國(guó)也有以青島杰生為代表的優(yōu)秀企業(yè)。另外以國(guó)星光電、鴻利光電為代表的中游封裝公司都推出了各自的紫外LED產(chǎn)品。去年鴻利光電與青島杰生在廣州達(dá)成戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方未來(lái)將共同開(kāi)發(fā)深紫外紫外-LED（波長(zhǎng)在260～320 nm之間）市場(chǎng)，開(kāi)啟紫外市場(chǎng)上中游全面合作新格局。我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的晶電、新世紀(jì)、光鋐、榮創(chuàng)等LED企業(yè)都在紫外LED產(chǎn)品開(kāi)始布局。相對(duì)于我國(guó)LED發(fā)展?fàn)顩r而言，目前國(guó)外的紫外LED的發(fā)展?fàn)顩r又是怎么樣的呢？日本憑借其在藍(lán)光LED領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，在紫外LED方面的進(jìn)展同樣舉世矚目，日本主要紫外LED包括日亞化學(xué)與DOWA等。美國(guó)在深紫外的研究方面領(lǐng)先，具有代表性的企業(yè)是美國(guó)的SMTI公司，但是近年有被日本超越的趨勢(shì)，日本日機(jī)裝（NIKKISO）將從2015年春季開(kāi)始量產(chǎn)發(fā)光波長(zhǎng)為255～350 nm的深紫外LED。韓國(guó)廠商首爾半導(dǎo)體與LG Innotek也在研發(fā)紫外LED。與藍(lán)光不同，目前紫外LED正處于技術(shù)發(fā)展期，在專(zhuān)利和知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面限制較少，有利于占領(lǐng)、引領(lǐng)未來(lái)的技術(shù)制高點(diǎn)。國(guó)內(nèi)在紫外LED的裝備、材料和器件方面都有了一定的積累，目前正在積極地向應(yīng)用模塊發(fā)展。在紫外LED形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)之前，還需要國(guó)家的引導(dǎo)和支持，以便在核心技術(shù)方面取得先機(jī)。

目前市場(chǎng)上的白光LED主要是通過(guò)藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉實(shí)現(xiàn)，而紫外LED通過(guò)分別激發(fā)紅色、綠色和藍(lán)色熒光材料也得到白光LED。并且得到的白光LED的顯示指數(shù)與色純度等方面更優(yōu)異。因此很多致力于藍(lán)色LED開(kāi)發(fā)和性能提高的研究小組近年來(lái)開(kāi)始轉(zhuǎn)戰(zhàn)紫外LED。獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的赤崎勇和天野浩的研發(fā)小組近年來(lái)也將AlGaN類(lèi)紫外LED的研究作為重要主題之一。關(guān)于紫外LED激發(fā)熒光粉實(shí)現(xiàn)白光LED研究方向，由三菱電線工業(yè)與Stanley電氣、山口大學(xué)共同發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，波長(zhǎng)400 nm的外部量子效率是380 nm的近2倍;另外是使用400 nm波長(zhǎng)，有望提高熒光體的RGB轉(zhuǎn)換效率，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)差距越小，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換前后的光能量差也就越小。所以山口大學(xué)提出“很有可能是波長(zhǎng)400 nm的近紫外光激發(fā)出的白光亮度最高”。

一般情況下，LED芯片封裝時(shí)都用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行灌膠填充，但是環(huán)氧樹(shù)脂在紫外光中出現(xiàn)性能惡化，因?yàn)闃?shù)脂中的苯環(huán)雙重結(jié)構(gòu)容易被紫外光所破壞，加速了樹(shù)脂的氧化過(guò)程。同時(shí)目前還沒(méi)有找到400 nm附近很好的光激發(fā)熒光材料。所以，當(dāng)前400 nm紫外LED用于白色LED所面臨的課題是：如何開(kāi)發(fā)由400 nm附近的光激勵(lì)的熒光材料以及不會(huì)因這種光而出現(xiàn)性能惡化的封裝材料。

紫外LED芯片還將面臨的一個(gè)問(wèn)題是，現(xiàn)在LED芯片幾乎全部使用氧化銦錫做透明導(dǎo)電層，氧化銦錫材料對(duì)可見(jiàn)光的吸收確實(shí)很少，但是氧化銦錫對(duì)紫外光的吸收卻明顯變強(qiáng)，同時(shí)紫外芯片的正向電壓相對(duì)藍(lán)綠光芯片的正向電壓偏高。晶元光電聯(lián)合臺(tái)灣儀科中心，以及中央大學(xué)薄膜技術(shù)中心，將先進(jìn)材料石墨烯應(yīng)用于紫外LED的制造技術(shù)，共同執(zhí)行“開(kāi)發(fā)電漿輔助高溫原子層沉積系統(tǒng)應(yīng)用于紫外LED”計(jì)劃，以更適合LED使用的透明電極材料石墨烯取代氧化銦錫，希望能夠克服紫外LED發(fā)光效率降低的問(wèn)題。

根據(jù)紫外LED芯片的研究現(xiàn)狀，預(yù)計(jì)其未來(lái)研究發(fā)展方向有如下幾個(gè)方面：研究高質(zhì)量的深紫外材料外延生長(zhǎng)技術(shù);高Al組分AlGaN材料生長(zhǎng)技術(shù)和摻雜技術(shù);深紫外LED結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);波長(zhǎng)300nm以下LED器件芯片制作工藝和封裝技術(shù);面向醫(yī)療、殺菌和凈化應(yīng)用領(lǐng)域的紫外光源模塊開(kāi)發(fā)和應(yīng)用;近紫外LED激發(fā)熒光粉制備高性能白光LED。未來(lái)需解決的技術(shù)難題是藍(lán)寶石襯底上高質(zhì)量AlN模板的MOCVD外延生長(zhǎng);AlGaN量子阱的發(fā)光機(jī)制研究與結(jié)構(gòu)控制技術(shù);P型高Al組分AlGaN摻雜技術(shù)研究;低歐姆接觸電極的制作;電流擁堵效應(yīng)的解決;紫外LED出光效率提高技術(shù);熒光材料的高效合成;耐熱抗紫外封裝材料的研究;深紫外LED的器件工藝和封裝技術(shù);深紫外LED的應(yīng)用模塊研制等。在國(guó)內(nèi)外眾多紫外LED研究工作者的共同努力下，相信紫外LED芯片的應(yīng)用前景將一片光明。

參考文獻(xiàn)

[1] 江風(fēng)益，熊傳兵，彭學(xué)新，等.新型紫外光源研制成功[J].材料導(dǎo)報(bào)，2001（2）：30-31.

[2] 陸敏，楊志堅(jiān)，潘堯波，等.量子阱結(jié)構(gòu)對(duì)GaN紫光二極管性能的影響[J].稀有金屬，2007，31（S2）：33-35.

[3] 趙歡，許文海，蘆永軍，等.LED矩陣型紫外固化光源系統(tǒng)[J].電子激光，2007（7）：1032-1037.