淺析深紫外LED的前景與市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值

張翔

摘要：紫外光源能夠發(fā)出特定波段的紫外輻射，目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、凈水等領(lǐng)域。本文主要介紹了深紫外波段LED的研究現(xiàn)狀，討論了UV-LED的優(yōu)點(diǎn)和研究難點(diǎn)，通過列舉出市場(chǎng)上部分深紫外LED的產(chǎn)品，對(duì)深紫外LED的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

Abstract： Ultraviolet light source emits ultraviolet radiation of a specific wavelength band. It has been widely used in medical and water purification fields. This paper mainly introduces the research status of deep ultraviolet LED， discusses the advantages and research difficulties of UV-LED. The application prospects of deep ultraviolet LEDs are prospected by listing some products of deep ultraviolet LEDs on the market.

關(guān)鍵詞：紫外光源；深紫外LED；應(yīng)用前景

Key words： ultraviolet light source；UV- LED；application prospect

中圖分類號(hào)：TN312+.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）33-0296-02

0 引言

LED（Light Emitting Diode）即發(fā)光二極管，是一種電致發(fā)光型的固態(tài)光源。世界上第一支LED于1962年問世，但只能發(fā)射紅光波段光譜，慢慢地，黃光、綠光、藍(lán)光的LED也陸續(xù)被研發(fā)出來[1]。紫外LED也屬于LED的一個(gè)分支，雖然不能廣泛用于LED照明領(lǐng)域，但是UV-LED作為一種新型紫外光源，它具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并且理論上UV-LED未來將替代所有的傳統(tǒng)紫外光源。

1 深紫外LED介紹

波長(zhǎng)小于400nm的波段被稱為紫外波段。在UV-LED中，LED發(fā)射波長(zhǎng)在300nm到400nm之間的稱為近紫外LED，發(fā)射波長(zhǎng)小于300nm的被稱為深紫外LED。

1.1 制作工藝

UV-LED的制作工藝與普通LED的工藝大體相同，但是由于UV-LED的發(fā)光材料不同，因此選取的發(fā)光材料和封裝形式會(huì)有一定區(qū)別，圖1為深紫外LED的工藝流程圖。

1.2 封裝方式

深紫外LED由于發(fā)射的光譜波長(zhǎng)通常小于300nm，所以在封裝上要求更高，常用的封裝形式有以下三種：

1.2.1 覆晶封裝（FLIP FLOP）

覆晶封裝的特點(diǎn)是采用倒裝芯片，不需要金線和導(dǎo)電銀膠，芯片通過底部電極金屬層與基板電極焊接來實(shí)現(xiàn)電連接和固定，光從藍(lán)寶石襯底取出。這種封裝形式可以縮短封裝過程的烘烤時(shí)間，能夠減少低物料熱應(yīng)力，這種封裝形式具有體積小、高光效、導(dǎo)熱好、可靠性高等特點(diǎn)。

1.2.2 板上芯片封裝（COB）

COB式封裝最大的特點(diǎn)是封裝效率高，通過將芯片直接安放在基底表面，通過熱處理固定，最后利用絲焊的方法將芯片和基底建立電氣連接，由于不需要支架，因此節(jié)省了器件的封裝時(shí)間和成本[2]。

1.2.3 模組式封裝（MODEUL）

模組式封裝主要應(yīng)用于大功率LED領(lǐng)域，通過將一定數(shù)量的芯片按規(guī)則排列在一起進(jìn)行集成封裝，模組式封裝的UV-LED能滿足高光功率的要求，它具有發(fā)熱量大、出光效率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

1.3 UV-LED的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的紫外光源通常為紫外汞燈，與傳統(tǒng)的汞蒸氣紫外放電光源相比，UV-LED具有諸多的優(yōu)勢(shì)。首先，在壽命上，紫外LED的使用壽命是汞燈的4～5倍；其次，汞燈點(diǎn)亮前需要啟輝，而紫外LED的開關(guān)卻十分方便，并且工作電流可調(diào)，工作電壓也只有8～10V左右。從體積上，紫外LED更加小巧，便于攜帶，而紫外放電汞燈的體積卻過于笨重；在光譜特性上，UV-LED的光譜為可調(diào)的單峰，而紫外汞燈光譜為固定的多雜峰?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)分析，UV-LED很可能會(huì)逐漸替代傳統(tǒng)的紫外汞燈，成為新一代紫外光源。

2 研究中存在的問題

雖然紫外LED具有很多的優(yōu)勢(shì)，但是在研究和發(fā)展中，依然會(huì)遇到很多難題，這也是UV-LED難以大范圍普及到人們生活中的原因，目前研究階段存在的問題有：

2.1 芯片外延生長(zhǎng)困難

目前紫外LED芯片最廣泛使用的材料是GaN，禁帶寬度為3.4 eV，對(duì)應(yīng)的發(fā)光波長(zhǎng)為365nm，屬于近紫外波段。而深紫外LED是通過在GaN中添加Al擴(kuò)大帶隙，從而獲得更短的發(fā)光波長(zhǎng)。但是目前來看，高Al組分的AlGaN材料的外延生長(zhǎng)困難，Al含量越高，晶體質(zhì)量越低，外延層的導(dǎo)電率也越低，外量子效率基本不到10%[3]。

2.2 封裝材料的老化

對(duì)于照明領(lǐng)域中的白光和藍(lán)光LED，最常用的封裝材料是環(huán)氧樹脂，但是環(huán)氧樹脂的性能在紫外光下會(huì)惡化，這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂中的芳香環(huán)會(huì)吸收紫外光發(fā)生變色氧化，透光率會(huì)急速下降。目前，UV-LED常用的封裝材料是硅樹脂，硅樹脂的抗氧化能力比較好，但是在波長(zhǎng)小于320nm后，透光率也會(huì)逐漸下降，依然不能很好地滿足深紫外LED的要求。

2.3 光提取效率較低

目前UV-LED多采用覆晶倒裝芯片的封裝形式，采用的是藍(lán)寶石襯底，但是平面藍(lán)寶石襯底會(huì)導(dǎo)致全反射，將大量紫外光限制在外延層，限制了UV-LED的光提取效率；同時(shí)，現(xiàn)在的所有LED芯片幾乎都使用氧化銦錫作為透明導(dǎo)電層，但氧化銦錫材料對(duì)紫外光的吸收比不可見光高很多，目前臺(tái)灣已有公司已試驗(yàn)用石墨烯代替氧化銦錫，以提高紫外LED的光提取效率。

3 具有前景的應(yīng)用領(lǐng)域

雖然深紫外LED的研究還有很大的發(fā)展空間，但是一些近紫外LED的產(chǎn)品卻已經(jīng)出現(xiàn)在了市場(chǎng)上，而且隨著LED技術(shù)的發(fā)展更加成熟，UV-LED的應(yīng)用領(lǐng)域也將變得越來越廣泛。

3.1 紫外固化光源

紫外固化技術(shù)是通過紫外線照射有機(jī)涂料，使其發(fā)生輻射交聯(lián)反應(yīng)，將相對(duì)分子質(zhì)量低的物質(zhì)固化成相對(duì)分子質(zhì)量高的物質(zhì)的化學(xué)過程[4]。在印刷油墨固化工藝中，光化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際吸收波長(zhǎng)約為350～370nm之間，利用UV-LED可以很好地實(shí)現(xiàn)。

3.2 深紫外LED殺菌

紫外線可以破壞微生物的DNA結(jié)構(gòu)，使細(xì)菌死亡或無法繁殖，從而實(shí)現(xiàn)殺菌目的。UV-LED殺菌也屬于純物理消毒，無毒無殘留無異味，非常簡(jiǎn)潔高效。目前市場(chǎng)內(nèi)推廣比較多的產(chǎn)品都是生活電器，比如戴森工業(yè)生產(chǎn)的一款空氣加濕器，先對(duì)水蒸氣進(jìn)行紫外殺菌后再進(jìn)行加濕；有些冰箱內(nèi)也安裝了UV-LED，僅需要照射幾分鐘，便可以殺滅水果蔬菜表面的微生物和真菌；吸塵器的吸口處可以安裝深紫外LED，吸塵的同時(shí)可以進(jìn)行除螨，殺菌除螨率能達(dá)到99.9%。

3.3 紫外光通信

紫外光在空氣中的散射作用，使紫外光的能量傳輸方向發(fā)生改變，這為紫外光通信奠定了通信基礎(chǔ)。目前某些實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)可以利用UV-LED實(shí)現(xiàn)短距離的信號(hào)散射傳輸，在實(shí)際的通信應(yīng)用中，可以將UV-LED組成陣列結(jié)構(gòu)，通過提高發(fā)射功率來增加紫外光通信的傳輸距離[5]。

4 結(jié)論

隨著部分近紫外LED產(chǎn)品的大力推廣，也可以看到未來深紫外LED市場(chǎng)的潛力與發(fā)展前景。由于國(guó)內(nèi)UV-LED的技術(shù)還不是很成熟，因此無論是紫外芯片還是光電器件的價(jià)格都相對(duì)偏高，目前市場(chǎng)上的深紫外LED還沒能形成完善的產(chǎn)業(yè)鏈，但是UV-LED依然會(huì)是以后LED領(lǐng)域研究的熱門方向。我認(rèn)為，未來UV-LED主要的研究方向會(huì)以高質(zhì)量的紫外發(fā)光材料外延和摻雜技術(shù)為主，同時(shí)加強(qiáng)深紫外波段的LED器件制作和封裝技術(shù)。在未來的市場(chǎng)中，價(jià)格適宜、使用方便并且小型化的紫外LED產(chǎn)品會(huì)最先占據(jù)一席之地，以生活健康為主題的紫外LED產(chǎn)品會(huì)成為市場(chǎng)的主流推廣對(duì)象。

參考文獻(xiàn)：

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[3]閆建昌，孫莉莉，等.紫外發(fā)光二極管現(xiàn)狀及展望[J].照明工程學(xué)報(bào)，2017，28（1）：1-4.

[4]韓秋漪，荊忠，等.新型移動(dòng)式LED紫外固化設(shè)備[J].涂料技術(shù)與文摘，2014，35（9）：43-48.

[5]郭求實(shí)，何寧，等.紫外LED散射通信信道特性與傳輸研究[J].光通信研究，2013（177）：64-66.