未来之光—深紫外,杀细菌于无形

人类的生活就是长期与各类细菌共生与斗争的过程。如益生菌可以促进体内菌群平衡,从而让身体更健康,而有害的细菌将会引发导致诸多疾病。比如空调、加湿器、浴室、厨房等有水的地方打扫只要稍有懈怠,这些地方就会容易滋生细菌。

一、未来之光“深紫外线”
   
新一代的尖端技术“深紫外LED(发光二极管)”能释放出具有杀菌作用,而且肉眼看不到的光线。这种具有杀菌作用的光线,叫作深紫外线。在LED领域现在开发的主要是释放“UV-C”,即100~280nm(纳米,纳为10亿分之1)光线的类型。

深紫外线的威力早就得到了证实。深紫外线能直接作用于生命的基础——DNA,从根本上掐断细菌繁殖。研究表明,波长为260nm的深紫外线特别容易被DNA吸收。具有消灭DNA遗传信息的效果。


           图1、紫外杀菌原理(Nikkiso Giken Co., Ltd)

二、深紫外线发展情况

深紫外线的发展技术主要在美国、日本、韩国等国家。2014年,赤崎勇和天野浩因开发出蓝色LED而荣获诺贝尔物理学奖。凭借着诺贝尔技术源泉,日本目前站在了深紫外开发的最前沿。美国在深紫外的研究方面领先,具有代表性的企业是美国的SETI公司,但是近年有被日本超越的趋势,日本日机装(NIKKISO)从2015年春季开始量产发光波长为255~350nm的深紫外LED。

韩国厂商首尔半导体与LG Innotek也在研发紫外LED。同时日本信息通信研究机构(NICT)宣布,新开发的波长265nm的深紫外LED,实现了输出功率高达90mW/cm2的连续发光,这一功率足以满足实用化需求。为夺取成长市场,以通过提高发光效率、建立量产技术,实现成本化为目标,全球掀起了白热化的技术开发竞争。一马当先的是3家日本企业:日机装、旭化成和德山。


          图2、UVCLED封装产品示意图

紫外LED芯片发光的波长越短,技术难度就越大,在深紫外LED芯片领域我国也有以青岛杰生为代表的优秀企业。另外以鸿利智汇、国星光电为代表的中游封装公司都计划推出了各自的深紫外LED产品。

三、深紫外LED发展存在问题

UV-LED单个芯片面积小,便于灵活设计;但相应的是单个芯片的辐射功率也较低,在很多应用中难以满足高辐射功率密度的要求,这也是目前UV-LED在众多领域很难替代UV放电灯的重要原因之一。


表1、水银汞灯与UVC LED比较

3.1 提升芯片发光效率

1)高质量AlN晶体层
首先需要就解决的是UVC LED芯片各波段的高质量AlN模块。制作蓝色LED时,蓝宝石基板上叠加氮化铟镓的晶体层。制作高质量的晶体层,是实现量产和性能稳定化的重点,但氮化铟镓不容易在蓝宝石上结晶。

为此,人们想出了先在蓝宝石上设置氮化镓“缓冲层”,再在上面叠加氮化铟镓层的方法。但是,深紫外LED的发光材料与蓝色LED不同,采用氮化铝镓,而且氮化镓具有容易吸收紫外线的性质,所以缓冲层的材料需要变更为氮化铝。随着晶体生长技术的进步,高IQE(内量子效率)的单晶AlN逐步走向成熟。


图3、高质量深紫外芯片用衬底

2)AlGaN掺杂技术研究

首先高Al组成的n-AlGaN各项特性研究。在不同Al含量条件下,对活化能的影响、欧姆电阻的变化以及肖特特性等的研究。


图4、高Al组成n-AlGaN参数

其次高Al组成的P-AlGaN各项特性研究。研究表明,Al组成为70%时,AlGaN中Mg的活化能将达到320meV,因此新的掺杂技术是决定UVC LED芯片能否做到高输出功率的关键因素。


图5、高Al组成P-AlGaN参数

3)紫外LED出光效率提高技术
  
AlN基板存在折射率大、光提取效率非常低的问题,因此需要提高芯片光萃取效率。因此提出AlN基板表面形成了由尺寸与波长基本相同的结构二维光子晶体结构,光提取效率达到未做这种表面加工时的140%,加之尺寸比波长小的纳米结构组合而成的图案。光提取效率达到未做这种表面加工时的196%。


图6、光子晶体结构示意图

3.2耐热抗紫外封装方式

因为深紫外光子能量很大,如果沿用白光的封装方式,采用光学树脂对其进行封装,在长时间高能量的紫外线照射条件下,光学树脂很容易黄化,进而导致UVC LED寿命大幅度的缩短。


表2、几种UVC LED封装方式

因此目前UVC LED的封装不约而同的转向采用无机金属或者陶瓷、玻璃封装。通过采用无机材料对UVC LED进行封装避免因为有机材料导致的寿命缩短。鸿利凭借CMH技术平台,实现UVLED的全无机封装,同时提出保护气或者真空的气密性封装,为UVC LED芯片提供一个相对稳定的工作环境。为UVC LED封装提供一种耐深紫外、高性价比的封装方式。(CMH即C=ceramic 陶瓷、M=Metal 金属、H=Glass 玻璃)


图7、CMH封装UVC LED示意图

四、结论

尽管深紫外的应用市场巨大,芯片发射功率、稳定性得到了极大的提升,但是对于UVC LED的封装技术稍显落后,因此寻求一种稳定可靠的封装方式变得非常迫切。因为有机材料的限制,蓝光封装方式的思考DNA需要被打破,寻求一种无机、气密性、相对性价高的封装方式是实现UVC LED大规模推广的制约因素之一。

鸿利希望借助CMH技术平台实现对UV LED进行封装,力求提升UV LED的稳定性。借助CMH平台助力UV LED SMD方式可靠封装,实现对深紫外UV LED进行保护气或真空封装,实现稳定可靠的封装,进而提高其使用寿命。同时借助CMH平台,拓展在下严酷环境下(如高湿,水下等)UV LED的应用。(文章未经允许,不得转载)


 

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