未來之光—深紫外，殺細(xì)菌于無形

人類的生活就是長期與各類細(xì)菌共生與斗爭的過程。如益生菌可以促進體內(nèi)菌群平衡,從而讓身體更健康，而有害的細(xì)菌將會引發(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，這些地方就會容易滋生細(xì)菌。
一、未來之光“深紫外線”
   
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。這種具有殺菌作用的光線，叫作深紫外線。在LED領(lǐng)域現(xiàn)在開發(fā)的主要是釋放“UV-C”，即100～280nm（納米，納為10億分之1）光線的類型。
深紫外線的威力早就得到了證實。深紫外線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，波長為260nm的深紫外線特別容易被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、深紫外線發(fā)展情況

深紫外線的發(fā)展技術(shù)主要在美國、日本、韓國等國家。2014年，赤崎勇和天野浩因開發(fā)出藍(lán)色LED而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。憑借著諾貝爾技術(shù)源泉，日本目前站在了深紫外開發(fā)的最前沿。美國在深紫外的研究方面領(lǐng)先，具有代表性的企業(yè)是美國的SETI公司，但是近年有被日本超越的趨勢，日本日機裝(NIKKISO)從2015年春季開始量產(chǎn)發(fā)光波長為255～350nm的深紫外LED。
韓國廠商首爾半導(dǎo)體與LG Innotek也在研發(fā)紫外LED。同時日本信息通信研究機構(gòu)（NICT）宣布，新開發(fā)的波長265nm的深紫外LED，實現(xiàn)了輸出功率高達(dá)90mW/cm2的連續(xù)發(fā)光，這一功率足以滿足實用化需求。為奪取成長市場，以通過提高發(fā)光效率、建立量產(chǎn)技術(shù)，實現(xiàn)成本化為目標(biāo)，全球掀起了白熱化的技術(shù)開發(fā)競爭。一馬當(dāng)先的是3家日本企業(yè)：日機裝、旭化成和德山。

          圖2、UVCLED封裝產(chǎn)品示意圖

紫外LED芯片發(fā)光的波長越短，技術(shù)難度就越大，在深紫外LED芯片領(lǐng)域我國也有以青島杰生為代表的優(yōu)秀企業(yè)。另外以鴻利智匯、國星光電為代表的中游封裝公司都計劃推出了各自的深紫外LED產(chǎn)品。
三、深紫外LED發(fā)展存在問題

UV-LED單個芯片面積小，便于靈活設(shè)計；但相應(yīng)的是單個芯片的輻射功率也較低，在很多應(yīng)用中難以滿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，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，是實現(xiàn)量產(chǎn)和性能穩(wěn)定化的重點，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。隨著晶體生長技術(shù)的進步，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各項特性研究。在不同Al含量條件下，對活化能的影響、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各項特性研究。研究表明，Al組成為70%時，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的140％，加之尺寸比波長小的納米結(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

因為深紫外光子能量很大，如果沿用白光的封裝方式，采用光學(xué)樹脂對其進行封裝，在長時間高能量的紫外線照射條件下，光學(xué)樹脂很容易黃化，進而導(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)向采用無機金屬或者陶瓷、玻璃封裝。通過采用無機材料對UVC LED進行封裝避免因為有機材料導(dǎo)致的壽命縮短。鴻利憑借CMH技術(shù)平臺，實現(xiàn)UVLED的全無機封裝，同時提出保護氣或者真空的氣密性封裝，為UVC LED芯片提供一個相對穩(wěn)定的工作環(huán)境。為UVC LED封裝提供一種耐深紫外、高性價比的封裝方式。（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)用市場巨大，芯片發(fā)射功率、穩(wěn)定性得到了極大的提升，但是對于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。因為有機材料的限制，藍(lán)光封裝方式的思考DNA需要被打破，尋求一種無機、氣密性、相對性價高的封裝方式是實現(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)平臺實現(xiàn)對UV LED進行封裝，力求提升UV LED的穩(wěn)定性。借助CMH平臺助力UV LED SMD方式可靠封裝，實現(xiàn)對深紫外UV LED進行保護氣或真空封裝，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的封裝，進而提高其使用壽命。同時借助CMH平臺，拓展在下嚴(yán)酷環(huán)境下（如高濕，水下等）UV LED的應(yīng)用。