07
2020
05

改善深紫外线LED的性能以实现无汞杀菌灯

在紫外线中,在诸如杀菌灯的各种领域中使用了具有较短波长的深紫外线。杀菌灯的光源主要是水银灯,但是目前正在开发可在不使用水银的情况下有效产生深紫外线的LED。日本物理学和化学研究所平山量子光子研究实验室的首席研究员平山英树是该领域的最前沿。

蓝色LED为紫外线LED之后

多年来一直被认为很困难的蓝色LED(发光二极管)的发明催生了节能,寿命长的照明设备和显示器等,这些改变了世界。最新的前沿研究之一是,它可以生产波长比蓝色LED短的紫外线LED。

■图1:人眼可以看到的可见光范围是380〜780nm。紫外线的波长分为从UV-A到UV-C的三个区域,UV-B和UV-C的波长范围称为“深紫外线”。 265纳米左右的深紫外光是DNA吸收的高峰,具有很强的杀菌作用。 (Nm:纳米)

在紫外线中,波长特别短的深紫外线具有很高的杀菌能力,并有望用于工厂和净水厂(图1)。当前使用的大多数杀菌灯都使用汞,但是随着2017年《水Min汞条约》的生效,国际社会已开始努力减少汞的使用。在这种背景下,期望使用深紫外LED。已经推出了使用深紫外线LED的产品,但是当前的发光效率和输出功率不足。

平山从1996年开始研究UV LED,他充满信心地说:“尽管开发竞争非常激烈,但我们开发的深层UV LED达到了世界最高的20.3%的发光效率。但是,为了实现普及,发光效率也进一步提高,超过用作杀菌灯的低压汞灯,目前的目标是超过30%。 ”

LED的基本结构是由具有多个电子的n型半导体和具有不足电子的p型半导体(具有空穴)的结形成的pn结。施加电压后,电子和空穴结合发光,但是根据半导体的类型,光的颜色(波长)和发光所需的电压也不同。为了开发可以产生所需波长的光的半导体,许多研究人员已经探索了各种材料。平山说:“如果它只能在紫外区域发光,那将是不现实的。因为它需要比过去更有效地发光,并且可以以较低的成本进行批量生产。”氮化铝镓(AlGaN)有望成为更有前途的材料,但存在许多问题。

可以产生纯净晶体的新技术

LED通过在基本物质(基板)上生长具有原子有序排列的晶体来形成pn结。半导体衬底使用便宜的蓝宝石(Al2O3),但是由于构成晶体的原子之间的距离(晶格常数)不同,AlGaN晶体随着生长而变形,并出现称为晶格缺陷的缺陷。沿着缺陷的线性形状延伸的裂纹称为晶体缺陷。随着缺陷密度(穿透位错密度)的增加,发光效率降低。

蓝色LED需要在基板上形成缺陷较少的氮化镓(GaN)晶体膜。明治大学终身教授赤崎勇(Akasaki Yong)开发了实现这部电影的技术,他获得了诺贝尔奖。在深紫外LED的情况下,在基板上形成氮化铝(AlN)晶体膜,并在其上生长AlGaN晶体。平山已经建立了在基板上形成高质量AlN膜以减少缺陷的方法。他回忆说:“这种方法在提高发光效率方面取得了突破性进展,超过了竞争对手的美国研究团队。”

AlN晶体是通过有机金属化学气相沉积(MOCVD)产生的。蓝宝石衬底在大约1400度的高温下被供给气态材料,以晶体生长。平山开发的方法首先在衬底上生长AlN作为内芯,然后以脉冲形状吹入氨气,使其横向生长以填充芯之间的间隙。然后,气体被连续地供应并垂直堆叠。通过重复此晶体生长过程,可以形成无裂纹的高质量AlN层(图2)。平山说:“要生产纯净的晶体,需要对气体浓度,流速和反应温度进行精细控制。在高温下,气体流动可能会产生湍流,需要丰富的经验。因此,该设备是半自动的并根据需要进行了改进”。

■图2:用透射电子显微镜观察时发现,在AlN层中生长的初始层具有较高的晶体位错密度,但随着进一步的生长,形成了纯净的晶体。 AlGaN层的位错密度低。

通过努力工作来提高发光效率

发光效率与3个因素有关。第一个是“内部量子效率”,第二个是“电子注入效率”,第三个是“光提取效率”。平山正努力提高这三个效率。

内部量子效率是指示电流产生的电子和空穴的比率以发光的值,并且指示发光层平滑地发光的程度的值。通过整洁地生长晶体并减少缺陷,可以成功提高内部量子效率。

电子注入效率是指在注入的电流中进入发光层的电子的比例。在传统的深紫外LED中,注入的电子没有进入发光层,而是从p层侧泄漏。

平山说:“原因是p型半导体中的空穴数量与n型半导体中的电子数量不平衡。因为很难通过形成电子阻挡层(多-量子屏障),以反映未结合和直接通过电子,有效结合的“(图3)。因此,大大提高了电子注入效率。

■图3:为了提高发光效率,电子被多量子势垒反射,以将所有电子重新结合在发光层中。另外,通过使接触层透明,抑制了光的吸收,并且将高反射光子晶体用于反射以提高光提取效率。

当前的问题是在发光区域中产生的光能中有多少被提取到外部,即光提取效率。为了防止产生的光被吸收在器件结构内部,目前正在研究一种将光平稳地提取到外部的方法。平山说,尽管这是一个问题,但在解决它方面已逐渐找到了突破。

平山说:“光提取效率低的主要原因是所产生的深紫外光被接触层吸收。因此,通过在被接触层吸收之前反射路径以改变路径,可以防止吸收。”

在接触层内部使用具有高反射率的光子晶体,并且在光提取侧安装蓝宝石透镜。另外,为了通过利用光散射效应来减少由蓝宝石衬底反射的深紫外线,对该衬底进行了处理。通过这些方法,原始光提取效率的不到10%已提高到大约5倍。将来,为了剥离蓝宝石衬底以提取光,计划安装氮化铝柱状结构。仿真结果表明,光提取效率有望达到70%。

通过改善与发光效率有关的三个因素,期望实现超过低压汞灯的发光效率。

梦应用于激光光源

用AlGaN开发的深紫外LED在应用范围方面也有优势。平山满怀期待地表示:“通过改变晶体的组成,可以调节深紫外光的波长,这也是一个特征。目前,已经在222至351纳米波段实现了深紫外LED。使用时,可以自由产生所需的波长。深紫外光,例如用于治疗特应性皮炎和牛皮癣的310纳米左右的光”(图4)。

■图4:深紫外线LED,可产生270纳米的深紫外线。 2014年开始销售用于灭菌的产品。

这是一项正在开发中的技术,需要将输出功率从目前的数十毫瓦增加到几瓦。预计将来将用于灭菌,水净化,空气净化,医疗,生化工业,树脂硬化和加工,印刷。和绘画等领域。

展望未来,平山说:“未来,我们计划开发可实现更大输出功率的深紫外激光二极管(LD)。如果能够实现,它还应该能够分解大容量存储介质。以及容量超过蓝光光盘的有害物质。

深紫外LED的发展空间仍然很大。

平山英树为深紫外LED的实际使用开辟了道路。因此,他获得了第九届半导体电子性能奖(赤崎勇奖),并受到高度赞扬。平山秀树持有赤崎勇奖奖杯。

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