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紫外LED产业应用背景、核心技术问题及专利简述

日期: 2020-02-15
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(1) 首先来一些旧闻 / web search,扼要摘取如下,先熟悉下本文背景情况:

o 紫外LED一般指发光中心波长在400nm以下的LED,但有时将发光波长大于380nm时称为近紫外LED,而短于300nm时称为深紫外LED。因短波长光线的杀菌效果高,因此紫外LED常用于冰箱和家电等的杀菌及除臭等用途 。

o UVA / UVB / UVC的波长分类不赘述了,而且笔者习惯于写成UV-c,按照目前的通讯惯例。(不幸的是很多地方都写成UV-C, or UVC, etc.)o 405nm Blu-ray Disk “蓝光”光盘的标准激光读写波长,也是种近紫外光。

o 265nm – 280nm UV-c band。

o 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。

o 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四元化合物半导体开发出了发光中心波长为282nm,光输出功率为10mW的深紫外LED。

o 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。

o 美国南卡罗莱纳州立的Asif Khan教授小组曾在AlGaN深紫外LED的研究方面(外延与器件工艺)作出很多早期开创性工作。(下图是其代表性器件结构。)

紫外LED产业应用背景、核心技术问题及专利简述

o 目前,首尔Viosys、中科潞安、青岛杰生(由马鞍山圆融收购)、深圳深紫、武汉优炜星、美国Bolb等有UV-c LED产品,但普遍光效(外量子效率)尚须进一步提升。

o 旭宇、国星、鸿利等有若干UV LED的封装产品。

o 欧司朗与AlN单晶基板供应商HexaTech公司签署两项战略协议。这些协议包括长期供应协议和若干HexaTech的知识产权(IP)许可,其中,前者涉及作为HexaTech公司2英寸(直径)基板开发项目的氮化铝(AlN)基板。此举有助于欧司朗加速其基于HexaTech材料的UV-c LED器件开发,使欧司朗成为主要的高性能光电技术提供商,提供从深紫外波长到红外波长的各种产品。

o 日本化学大厂德山与日本电气设备大厂斯坦利电气决定,在深紫外线LED领域扩大合作,德山维持深紫外线LED材料研发,而晶圆生产、封装、与产品制造销售等业务,由Stanley Electric负责。德山的深紫外线LED晶圆生产线及专利,均转让给Stanley Electric。

o 台湾LED厂光鋐与研晶预计共组品牌,进军杀菌UV-c LED市场,双方已开始利用新合资品牌扩大行销。

o 2017年台塑石化宣布与日商日机装(Nikkiso)携手发展UV LED事业,生产深紫外光LED(Deep UV LED)晶粒及销售深紫外光应用产品,该合作案将聚焦水杀菌、空气杀菌、树脂固化及分析设备等。

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(2) 应用背景介绍

紫外LED (UV LED) 主要应用在生物医疗、防伪鉴定、净化 (水、空气等) 除菌杀毒领域、计算机数据存储和军事 (如LiFi不可见光保密通信) 等方面。

而且随着技术的发展,新的应用还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。

传统紫外光源与灯具厂商如下:

紫外LED产业应用背景、核心技术问题及专利简述

传统紫外光源为HID灯。

UV LED要完全替换传统紫外光源,在效率、性价比等方面还有很长一段路要走。

目前特别是UV-c深紫外LED的效率,总体上类似于2000年前后绿蓝光LED的水平。

(3) InN, GaN, AlN 紫外与蓝绿LED的带隙问题 (外延相关)

InN、GaN、AlN均为直接带隙半导体,禁带宽度分别为1.9 eV, 3.4 eV, 6.2 eV。

一般蓝绿光LED为InxGa1-xN有源发光区,压应变compressive strain

465nm 蓝光In组分约为20% + 525nm 绿光In组分约为30% +

265nm的AlxGa1-xN有源发光区,张应变tensile strain

Al组分约为70% +/-压应变、张应变与能带工程,外延层内的应变控制,是门大学问!

还有AlGaN/GaN多量子阱有源区的载流子注入、输运与泄漏等问题。

(4) UV LED的外延与芯片问题

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210nm - 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。

基于MOCVD的深紫外LED外延材料和芯片器件研究工作,须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、芯片工艺等问题。

材料是器件性能的基础与核心突破点。

MOCVD反应室 Reactor中Al的“记忆”效应,memory effect,这个真是记忆深刻、乃至可以说刻骨铭心!

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