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深紫外LED何时才能不望尘莫及?

2017-6-19 10:58| 发布者: admin| 查看: 48| 评论: 0

摘要: 深紫外LED何时才能不望尘莫及? 凭借安全、环保、小巧、高效、低耗等性能优势,波长在240-280纳米之间的深紫外LED正在加速拓展紫外线在民用和工业领域的应用,并将逐步替代传统汞灯。 作为传统汞加工制造和汞污染 ...

深紫外LED何时才能不望尘莫及?

 

凭借安全、环保、小巧、高效、低耗等性能优势,波长在240280纳米之间的深紫外LED正在加速拓展紫外线在民用和工业领域的应用,并将逐步替代传统汞灯。

 

作为传统汞加工制造和汞污染大国,中国政府已于2016年正式批准加入联合国环境大会,将于2020年起逐步全面禁止汞添加产品的制造和进出口,这意味着在可预见的未来,利用紫外LED作为汞灯替代品的技术研发和应用将迎来爆发式增长。

 

关于深紫外LED

 

紫外线,作为电磁波的一种,波长小于可见光,范围在10400纳米(nm)之间,包括:UVV(波长10200纳米)、UVC(波长200280纳米)、UVB(波长280315纳米)、UVA320400纳米),其中波长小于320纳米的紫外线,又被称作“深紫外线”。

LED领域,现在开发的主要是释放UVC。深紫外光是指波长100纳米到280纳米之间的光波,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。

 

与常见的用于照明的LED相比,深紫外LED在材料、工艺和应用方面有明显区别,是目前所知的最适合民用的固态紫外光,其中UVC LED能发散出具有杀菌作用的C波段光线。深紫外LED除菌净化功能已日渐被广泛应用在医疗和健康领域,作为新一代紫外杀菌技术,具有无汞、安全环保和广泛的环境适应性等特点,属于物理广谱杀菌,无化学残留特性。

 

发展前景

 

近年来,深紫外LED应用领域因广阔的市场前景和巨大的附加值逐渐被认为是半导体及医疗卫生健康领域新的增长点。

 

UVC LED产品技术门槛相当高,不论在磊晶、晶片技术、封装与市场接受程度等都面临诸多挑战,但研究报告显示,以高科技创新为特色的深紫外LED应用广泛,将成为全球LED研究与投资的新热点。据估计,2016UVC LED杀菌与净化应用的市场产值达2800万美元,2021年将达257亿美元,年复合成长率高达56%。

 

市场布局

 

上游制备工艺和生产设备的尖端性、下游应用技术的复杂性以及成本原因,使得深紫外LED国内外应用一度进展缓慢。

市场等待爆发,企业加速布局。近年来UV LED企业的主要策略路线是从资本追逐到强强联手发力终端:

 

1、欧司朗与HexaTech签战略协议

 

日前,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)基板开发项目的直接支持的氮化铝(AlN)基板。此举有助于欧司朗加速其基于HexaTech材料的UVCLED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。

 

2、日本德山将深紫外LED晶圆生产线及专利售予斯坦利电气

 

日前,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

 

3、光宏研晶合资 抢攻LED杀菌市场

 

去年11月,台湾LED厂光鋐与研晶预计共组品牌,进军杀菌UVC LED市场,双方已开始利用新合资品牌扩大行销,估2017年产生营收贡献。

 

4、台塑石化宣布与日商日机装(Nikkiso)携手发展UVLED事业

 

2017125日,台塑石化宣布与日商日机装(Nikkiso)携手发展UVLED事业,生产深紫外光LEDDeep UVLED)晶粒及销售深紫外光应用产品,董事长陈宝郎表示,该合作案将聚焦水杀菌、空气杀菌、树脂固化及分析设备等。

 

这些企业的联手可以看出,UV LED企业对于未来UV LED市场的进军策略整体走势是基于企业本身芯片的优势,加码拓展终端应用市场。此外,丰田合成、日亚化、首尔Viosys、隆达、圆融科技、鸿利智汇、国星光电等企业也在深紫外领域展开布局。

 

技术突破

 

最近,加拿大麦吉尔大学的研究人员制造出了一种氮化铝镓(AlGaN)激光二极管,其能够输出波长239nm的深紫外光,在室温下运行,并且为电泵浦。此外,该原型具有约035mA的非常低的阈值电流。

 

模拟研究表明,随机分布的AlGaN纳米线可以强烈约束在240nm光谱区域的深紫外光子。研究人员确定了反向锥形纳米线结构,以使通过下面的硅(Si)衬底的损耗最小。

 

在制造工艺中,纳米线自发地形成在Si衬底上,并且每个具有由nGaN接触层、nAlGaN覆层、AlGaN有源区、pAlGaN覆层和pGaN接触层组成的结构(如图1所示)。研究人员介绍说,由纳米线的随机排列引起的光子重复散射导致干涉,并因此导致强的光局域化。

AlGaN纳米线的平均填充因子为055。由于纳米线的不均匀性和制造的不完善,实际电流注入和激光运行仅在其中约50%中发生。单根纳米线的计算腔体积和载流子复合体积分别为0627μm30165μm3

 

首先,使用193nm波长的激发源进行室温光致发光(PL)研究。所得到的PL光谱在246nm处具有20nm带宽的发射峰,表明高达70%的Al组成和良好的Al均匀性。大约位于210nm处的第二个峰,表明AlN壳形成在AlGaN纳米线侧壁上,这有助于抑制非辐射表面复合。

 

接下来,通过光刻和金属化方法来制造电注入的激光二极管。研究人员测量了低于和高于激光阈值的室温电致发光光谱。在阈值下工作,产生宽发射光谱。当电流达到035mA阈值时,239nm激光线开始出现。在阈值处,线宽约为09nm,但随着电流逐渐升高到约14mA,线宽逐渐升高到约14nm

 

研究人员先前已经展示了在262nm289nm发射的电注入AlGaN纳米线深紫外激光器。这些激光器具有高得多的组成调控,形成量子点状结构,产生仅仅几十微安的非常低的阈值电流。但是因为高组成调控抑制较短波长的激光发射,研究人员不得不提高组成均匀性,以在239nm产生激光发射。较高的均匀性导致量子点状性质消失,并将阈值电流提高到035mA。但是239nm的阈值电流仍然相当低,这将有助于实现基于激光的、电池供电的深紫外仪器。

 

创业界deepUV LED最低波长的纪录

 

美国康乃尔大学的研究团队,最新就研发出一种体积小且更环保的深紫外线LED光源,并创下目前业界deepUV LED最低波长的纪录。

 

研究人员采用原子级控制界面的氮化镓(GaN)与氮化铝(AlN)单层薄膜为反应作用区域,成功发射出波长介于232270奈米的深紫外LED。这种232奈米的深紫外线,创下使用氮化镓为发光材料,所发出的光线波长最短记录。

 

在成功提升深紫外LED的发光效率后,研究团队的下一步是将光源整合到装置内,朝上市的目标迈进。深紫外光的应用领域包含食物保鲜、假钞辨别、光触媒、水的净化杀菌,等等。

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