浅谈紫外LED芯片的应用与发展

袁章洁

摘 要：由于蓝绿光与红黄光LED价格竞争激烈，促使众多LED厂商积极寻找新的利润突破点，此时，紫外（UV）LED逐渐受到关注。近年来随着紫外LED技术的提升其市场应用也在快速成长，预期紫外LED技术将会有更大的发展前景。

关键词：紫外LED芯片  分类  应用  发展

中图分类号：TN383           文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（c）-0094-02

1 紫外LED的分类与应用

紫外LED一般指发光中心波长在405 nm以下的LED， LED业界通常将发光波长位于355～405 nm时称为近紫外LED，而短于300 nm时称为深紫外LED。目前在LED的研究和生产中用到最多的材料GaN的禁带宽度为3.4 eV，对应的发光波长为365 nm，刚好处于近紫外波段范围，因此，近紫外LED中一般采用GaN作为基材。而深紫外LED通过在基材GaN中添加Al扩大带隙，获得更短的发光波长。按照更详细的波段与用途，紫外LED可以分为以下三类：（1）UVA：波长在315～405 nm之间，主要用于固化，医疗，印刷，光刻，验钞和光催化等;（2）UVB：波长在280～315 nm之间，主要用于医疗，生物分析（如DNA）等;（3）UVC：波长小于280 nm，主要用于杀菌（水、空气净化）和成分分析等。与传统的紫外汞灯相比紫外LED光源具有：节能省电不含汞，光束角小所需要透镜少，体积小不易碎，响应速度快，使用寿命长，发热少使用安全等优点。

某业界权威机构预估紫外LED在未来3年内市场需求将持续保持高速增长，其中以紫外固化为最大应用，其他包含PCB曝光与半导体黄光曝光，以及生技医疗领域的杀菌应用，市场将逐年扩大。其中紫外固化方面的有两个较大的市场需求增长点：一是紫外LED美甲固化灯，凭借节能环保，安全便携，响应速度快，固化时间短等优势正在大范围取代传统汞灯美甲固化灯。而爱美之心人皆有之，女性消费者对美甲的需求量日益剧增，近年来全国的美甲店数量一致保持快速增长的势头，美甲行业的持续火爆也给紫外LED美甲固化灯带了更广泛的市场。二是UV胶在制作业中的广泛应用，给紫外LED固化光源带来了市场，例如手机巨头苹果公司（Apple）使用UV胶涂布保护感测元件避免紫外线侵害，并采用紫外 LED取代传统紫外汞灯作为固化光源，在苹果领头带动之下促使紫外 LED市场应用快速成长。

2 前面谈了紫外LED的分类与应用，下面来谈一谈目前紫外LED的研究现状与研究难点

这几年，我国紫外LED技术应用发展相对迅速，除了一些科研院所在紫外LED取得了丰硕的研究成果外，国内的LED企业也在紫外LED领域开拓出属于自己的市场，在近紫外LED芯片领域以西安中为光电、亚威朗光电、华磊光电等为代表上游公司都有涉及近紫外芯片。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。另外以国星光电、鸿利光电为代表的中游封装公司都推出了各自的紫外LED产品。去年鸿利光电与青岛杰生在广州达成战略合作协议，双方未来将共同开发深紫外紫外-LED（波长在260～320 nm之间）市场，开启紫外市场上中游全面合作新格局。我國台湾地区的晶电、新世纪、光鋐、荣创等LED企业都在紫外LED产品开始布局。相对于我国LED发展状况而言，目前国外的紫外LED的发展状况又是怎么样的呢？日本凭借其在蓝光LED领域的先发优势，在紫外LED方面的进展同样举世瞩目，日本主要紫外LED包括日亚化学与DOWA等。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SMTI公司，但是近年有被日本超越的趋势，日本日机装（NIKKISO）将从2015年春季开始量产发光波长为255～350 nm的深紫外LED。韩国厂商首尔半导体与LG Innotek也在研发紫外LED。与蓝光不同，目前紫外LED正处于技术发展期，在专利和知识产权方面限制较少，有利于占领、引领未来的技术制高点。国内在紫外LED的装备、材料和器件方面都有了一定的积累，目前正在积极地向应用模块发展。在紫外LED形成大规模产业之前，还需要国家的引导和支持，以便在核心技术方面取得先机。

目前市场上的白光LED主要是通过蓝光LED激发黄色荧光粉实现，而紫外LED通过分别激发红色、绿色和蓝色荧光材料也得到白光LED。并且得到的白光LED的显示指数与色纯度等方面更优异。因此很多致力于蓝色LED开发和性能提高的研究小组近年来开始转战紫外LED。获得诺贝尔物理学奖的赤崎勇和天野浩的研发小组近年来也将AlGaN类紫外LED的研究作为重要主题之一。关于紫外LED激发荧光粉实现白光LED研究方向，由三菱电线工业与Stanley电气、山口大学共同发布的数据显示，波长400 nm的外部量子效率是380 nm的近2倍;另外是使用400 nm波长，有望提高荧光体的RGB转换效率，因为波长差距越小，波长转换前后的光能量差也就越小。所以山口大学提出“很有可能是波长400 nm的近紫外光激发出的白光亮度最高”。

一般情况下，LED芯片封装时都用环氧树脂进行灌胶填充，但是环氧树脂在紫外光中出现性能恶化，因为树脂中的苯环双重结构容易被紫外光所破坏，加速了树脂的氧化过程。同时目前还没有找到400 nm附近很好的光激发荧光材料。所以，当前400 nm紫外LED用于白色LED所面临的课题是：如何开发由400 nm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。

紫外LED芯片还将面临的一个问题是，现在LED芯片几乎全部使用氧化铟锡做透明导电层，氧化铟锡材料对可见光的吸收确实很少，但是氧化铟锡对紫外光的吸收却明显变强，同时紫外芯片的正向电压相对蓝绿光芯片的正向电压偏高。晶元光电联合台湾仪科中心，以及中央大学薄膜技术中心，将先进材料石墨烯应用于紫外LED的制造技术，共同执行“开发电浆辅助高温原子层沉积系统应用于紫外LED”计划，以更适合LED使用的透明电极材料石墨烯取代氧化铟锡，希望能够克服紫外LED发光效率降低的问题。

根据紫外LED芯片的研究现状，预计其未来研究发展方向有如下几个方面：研究高质量的深紫外材料外延生长技术;高Al组分AlGaN材料生长技术和掺杂技术;深紫外LED结构设计;波长300nm以下LED器件芯片制作工艺和封装技术;面向医疗、杀菌和净化应用领域的紫外光源模块开发和应用;近紫外LED激发荧光粉制备高性能白光LED。未来需解决的技术难题是蓝宝石衬底上高质量AlN模板的MOCVD外延生长;AlGaN量子阱的发光机制研究与结构控制技术;P型高Al组分AlGaN掺杂技术研究;低欧姆接触电极的制作;电流拥堵效应的解决;紫外LED出光效率提高技术;荧光材料的高效合成;耐热抗紫外封装材料的研究;深紫外LED的器件工艺和封装技术;深紫外LED的应用模块研制等。在国内外众多紫外LED研究工作者的共同努力下，相信紫外LED芯片的应用前景将一片光明。

参考文献

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