未來(lái)之光—深紫外，殺細(xì)菌于無(wú)形

人類(lèi)的生活就是長(zhǎng)期與各類(lèi)細(xì)菌共生與斗爭(zhēng)的過(guò)程。如益生菌可以促進(jìn)體內(nèi)菌群平衡,從而讓身體更健康，而有害的細(xì)菌將會(huì)引發(fā)導(dǎo)致諸多疾病。比如空調(diào)、加濕器、浴室、廚房等有水的地方打掃只要稍有懈怠，這些地方就會(huì)容易滋生細(xì)菌。
一、未來(lái)之光“深紫外線(xiàn)”
   
新一代的尖端技術(shù)“深紫外LED（發(fā)光二極管）”能釋放出具有殺菌作用，而且肉眼看不到的光線(xiàn)。這種具有殺菌作用的光線(xiàn)，叫作深紫外線(xiàn)。在LED領(lǐng)域現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的主要是釋放“UV-C”，即100～280nm（納米，納為10億分之1）光線(xiàn)的類(lèi)型。
深紫外線(xiàn)的威力早就得到了證實(shí)。深紫外線(xiàn)能直接作用于生命的基礎(chǔ)——DNA，從根本上掐斷細(xì)菌繁殖。研究表明，波長(zhǎng)為260nm的深紫外線(xiàn)特別容易被DNA吸收。具有消滅DNA遺傳信息的效果。

           圖1、紫外殺菌原理（Nikkiso Giken Co., Ltd）

二、深紫外線(xiàn)發(fā)展情況

深紫外線(xiàn)的發(fā)展技術(shù)主要在美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家。2014年，赤崎勇和天野浩因開(kāi)發(fā)出藍(lán)色LED而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。憑借著諾貝爾技術(shù)源泉，日本目前站在了深紫外開(kāi)發(fā)的最前沿。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SETI公司，但是近年有被日本超越的趨勢(shì)，日本日機(jī)裝(NIKKISO)從2015年春季開(kāi)始量產(chǎn)發(fā)光波長(zhǎng)為255～350nm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。同時(shí)日本信息通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）宣布，新開(kāi)發(fā)的波長(zhǎng)265nm的深紫外LED，實(shí)現(xiàn)了輸出功率高達(dá)90mW/cm2的連續(xù)發(fā)光，這一功率足以滿(mǎn)足實(shí)用化需求。為奪取成長(zhǎng)市場(chǎng)，以通過(guò)提高發(fā)光效率、建立量產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)成本化為目標(biāo)，全球掀起了白熱化的技術(shù)開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)。一馬當(dāng)先的是3家日本企業(yè)：日機(jī)裝、旭化成和德山。

          圖2、UVCLED封裝產(chǎn)品示意圖

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)。另外以鴻利智匯、國(guó)星光電為代表的中游封裝公司都計(jì)劃推出了各自的深紫外LED產(chǎn)品。
三、深紫外LED發(fā)展存在問(wèn)題

UV-LED單個(gè)芯片面積小，便于靈活設(shè)計(jì)；但相應(yīng)的是單個(gè)芯片的輻射功率也較低，在很多應(yīng)用中難以滿(mǎn)足高輻射功率密度的要求，這也是目前UV-LED在眾多領(lǐng)域很難替代UV放電燈的重要原因之一。

表1、水銀汞燈與UVC LED比較

3.1 提升芯片發(fā)光效率
1）高質(zhì)量AlN晶體層
首先需要就解決的是UVC LED芯片各波段的高質(zhì)量AlN模塊。制作藍(lán)色LED時(shí)，藍(lán)寶石基板上疊加氮化銦鎵的晶體層。制作高質(zhì)量的晶體層，是實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和性能穩(wěn)定化的重點(diǎn)，但氮化銦鎵不容易在藍(lán)寶石上結(jié)晶。
為此，人們想出了先在藍(lán)寶石上設(shè)置氮化鎵“緩沖層”，再在上面疊加氮化銦鎵層的方法。但是，深紫外LED的發(fā)光材料與藍(lán)色LED不同，采用氮化鋁鎵，而且氮化鎵具有容易吸收紫外線(xiàn)的性質(zhì)，所以緩沖層的材料需要變更為氮化鋁。隨著晶體生長(zhǎng)技術(shù)的進(jìn)步，高IQE（內(nèi)量子效率）的單晶AlN逐步走向成熟。

圖3、高質(zhì)量深紫外芯片用襯底

2）AlGaN摻雜技術(shù)研究

首先高Al組成的n-AlGaN各項(xiàng)特性研究。在不同Al含量條件下，對(duì)活化能的影響、歐姆電阻的變化以及肖特特性等的研究。

圖4、高Al組成n-AlGaN參數(shù)

其次高Al組成的P-AlGaN各項(xiàng)特性研究。研究表明，Al組成為70%時(shí)，AlGaN中Mg的活化能將達(dá)到320meV，因此新的摻雜技術(shù)是決定UVC LED芯片能否做到高輸出功率的關(guān)鍵因素。

圖5、高Al組成P-AlGaN參數(shù)

3）紫外LED出光效率提高技術(shù)
  
AlN基板存在折射率大、光提取效率非常低的問(wèn)題，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與波長(zhǎng)基本相同的結(jié)構(gòu)二維光子晶體結(jié)構(gòu)，光提取效率達(dá)到未做這種表面加工時(shí)的140％，加之尺寸比波長(zhǎng)小的納米結(jié)構(gòu)組合而成的圖案。光提取效率達(dá)到未做這種表面加工時(shí)的196％。

圖6、光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖

3.2耐熱抗紫外封裝方式

因?yàn)樯钭贤夤庾幽芰亢艽?，如果沿用白光的封裝方式，采用光學(xué)樹(shù)脂對(duì)其進(jìn)行封裝，在長(zhǎng)時(shí)間高能量的紫外線(xiàn)照射條件下，光學(xué)樹(shù)脂很容易黃化，進(jìn)而導(dǎo)致UVC LED壽命大幅度的縮短。

表2、幾種UVC LED封裝方式

因此目前UVC LED的封裝不約而同的轉(zhuǎn)向采用無(wú)機(jī)金屬或者陶瓷、玻璃封裝。通過(guò)采用無(wú)機(jī)材料對(duì)UVC LED進(jìn)行封裝避免因?yàn)橛袡C(jī)材料導(dǎo)致的壽命縮短。鴻利憑借CMH技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)UVLED的全無(wú)機(jī)封裝，同時(shí)提出保護(hù)氣或者真空的氣密性封裝，為UVC LED芯片提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工作環(huán)境。為UVC LED封裝提供一種耐深紫外、高性?xún)r(jià)比的封裝方式。（CMH即C=ceramic 陶瓷、M=Metal 金屬、H=Glass 玻璃）

圖7、CMH封裝UVC LED示意圖

四、結(jié)論
盡管深紫外的應(yīng)用市場(chǎng)巨大，芯片發(fā)射功率、穩(wěn)定性得到了極大的提升，但是對(duì)于UVC LED的封裝技術(shù)稍顯落后，因此尋求一種穩(wěn)定可靠的封裝方式變得非常迫切。因?yàn)橛袡C(jī)材料的限制，藍(lán)光封裝方式的思考DNA需要被打破，尋求一種無(wú)機(jī)、氣密性、相對(duì)性?xún)r(jià)高的封裝方式是實(shí)現(xiàn)UVC LED大規(guī)模推廣的制約因素之一。
鴻利希望借助CMH技術(shù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)UV LED進(jìn)行封裝，力求提升UV LED的穩(wěn)定性。借助CMH平臺(tái)助力UV LED SMD方式可靠封裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)深紫外UV LED進(jìn)行保護(hù)氣或真空封裝，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的封裝，進(jìn)而提高其使用壽命。同時(shí)借助CMH平臺(tái)，拓展在下嚴(yán)酷環(huán)境下（如高濕，水下等）UV LED的應(yīng)用。