大功率無極紫外線殺菌燈（提高深紫外LED性能實現無汞殺菌燈）

2023-10-15 05:54:55 3

日本理化學研究所平山量子光素子研究室的主任研究員 平山秀樹

藍色LED之後是紫外LED

多年來一直被認為難以實現的藍色LED（發光二極體）的發明催生了節能長壽的照明器具和顯示器等，大大改變了世界。目前最新的前沿研究之一是，能產生比藍色LED波長更短的紫外線LED。

圖1：人眼能看見的可見光範圍為380～780納米。紫外線的波長分為UV-A至UV-C三個區域，UV-B和UV-C的波長範圍被稱為「深紫外線」。265納米左右的深紫外線為DNA的吸收峰值，具有很強的殺菌效果。（nm：納米）

在紫外線中，波長尤其短的深紫外線具有高度殺菌能力，有望用於工廠和淨水廠等（圖1）。目前使用的殺菌燈大多採用水銀，但隨著2017年《關於水銀的水俁條約》的生效，國際社會開始致力於減少水銀的使用，在此背景下，深紫外LED便受到期待。使用深紫外LED的產品已經開始上市，但目前發光效率和輸出功率都不足。

1996年開始研究紫外LED的平山充滿信心地表示：「雖然開發競爭很激烈，但我們開發的深紫外LED實現了20.3％這一世界最高的發光效率。不過，要想實現普及，發光效率還需要進一步提高，超過作為殺菌燈使用的低壓汞燈，現在的目標是超過30％」。

LED的基本構造是電子較多的n型半導體與電子不足（具有空穴）的p型半導體相接合形成的pn結。加載電壓後，電子與空穴結合併發光，但根據半導體種類的不同，光的顏色（波長）和發光所需的電壓也不同。為開發能產生所需波長的光的半導體，大量研究人員探索了各種各樣的材料。平山介紹說：「如果只是能發出紫外區域的光的話，那還無法實用。因為還需要比以往的光源能夠更有效地發光，而且能以更低成本量產」。氮化鋁鎵（AlGaN）作為比較有前景的材料受到期待，但存在很多課題。

能生成整齊晶體的新技術

LED通過使原子有序排列的晶體在基礎物質（基板）上生長來形成pn結。半導體基板使用廉價的藍寶石（Al2O3），但由於構成晶體的原子與原子之間的距離（晶格常數）不同，當AlGaN晶體生長時會發生變形，出現稱為晶格缺陷的瑕疵。沿著缺陷線形擴大的裂紋被稱為晶體缺陷，缺陷密度（穿透位錯密度）升高的話，發光效率就會降低。

藍色LED需要在基板上形成缺陷較少的氮化鎵（GaN）晶體膜，實現這個膜的技術是獲得諾貝爾獎的名城大學終身教授赤崎勇開發的。而深紫外LED是在基板上形成氮化鋁（AlN）晶體膜，並在上面生長AlGaN晶體。平山確立了在基板上高品質形成AlN膜來減少缺陷的方法。他回憶說：「這個方法在提高發光效率方面取得了突破性進展，超越了競爭對手的美國研究團隊」。

AlN晶體利用有機金屬化學氣相沉積法（MOCVD）製作。在約1400度的高溫下向藍寶石基板供應氣態材料，使之作為晶體生長。平山開發的方法首先在基板上生長作為內核的氮化AlN，並以脈衝狀吹入氨氣，使其橫向生長，以填充核與核之間的空隙。然後連續供應氣體，使之縱向堆疊。通過反覆這一晶體生長過程，就可形成沒有裂紋的高品質AlN層（圖2）。平山表示：「要想製作出整齊的晶體，需要精細控制氣體的濃度、流量和反應溫度等。在高溫下氣流容易紊亂，需要有豐富的經驗，因此設備是半自製的，根據需要進行了改良」。

圖2：利用透射電子顯微鏡觀察發現，在AlN層生長的初始層，晶體的位錯密度較高，但隨著進一步生長，形成了整齊的晶體。AlGaN層的位錯密度較低。

通過在構造上下工夫改善發光效率

發光效率與3個因素有關：

平山正在努力研究提高這三種效率。

內部量子效率是表示隨著電流而產生的電子與空穴對以多大比例發光的值，表示發光層順利發光的程度。通過使晶體整齊生長並減少缺陷，成功提高了內部量子效率。

電子注入效率是指注入的電流中進入發光層的電子的比例，以往的深紫外LED存在注入的電子沒有進入發光層，而是從p層側漏出的問題。

平山介紹說：「原因是p型半導體的空穴數量與n型半導體的電子數量不平衡。由於難以增加空穴，通過形成一個電子阻擋層（多量子勢壘）來反射未結合而直接通過的電子，有效進行了結合」（圖3）。由此，大幅提高了電子注入效率。

圖3：為提高發光效率，利用多量子勢壘反射電子，使之全部在發光層重新結合，另外，通過使接觸層透明化，抑制光的吸收，並利用高反射光子晶體進行反射，提高了光提取效率。

目前存在的課題是，發光區域產生的光能以多大比例被提取到外部，也即光提取效率。為避免產生的光在器件結構內部被吸收，目前正研究將光順利提取到外部的方法。平山表示，這雖然是個難題，但已經逐漸找到解決的突破口。

平山說：「光提取效率低的主要原因是，產生的深紫外線被接觸層吸收了。因此，通過在被接觸層吸收之前使之反射改變路徑，就可以防止吸收」。

接觸層內部採用具有高反射率的光子晶體，光提取側安裝了藍寶石透鏡。另外，為利用光的散射效應減少藍寶石基板反射的深紫外線，對基板進行了加工。通過這些方法，將原來不到10％的光提取效率提高到了5倍左右。將來為了剝離藍寶石基板提取光，預定設置氮化鋁柱狀結構，模擬結果顯示，光提取效率有望達到70％。

通過改善與發光效率有關的3個因素，有望實現超過低壓汞燈的發光效率。

夢想是應用於雷射光源

利用AlGaN開發的深紫外LED在應用範圍方面也有優勢。平山充滿期待地表示：「通過改變晶體的成分，可以調節深紫外線的波長，這也是一個特點，目前已經在222～351納米的帶域實現深紫外LED。可以根據用途，自由產生所需波長的深紫外線，比如治療特應性皮炎和銀屑病等使用的310納米左右的光等」（圖4）。

圖4：產生270納米深紫外線的深紫外LED。2014年開始面向殺菌用途銷售。

這是正處於開發過程中的技術，需要將輸出功率由目前的幾十毫瓦左右提高到幾瓦，將來有望應用於殺菌、淨水、空氣淨化、醫療、生物化學產業、樹脂硬化和加工、印刷及塗裝等各個領域。

平山展望未來表示：「將來打算開發能實現更大輸出功率的深紫外雷射二極體（LD）。如果能實現，應該還可以分解容量超過藍光光碟的大容量存儲介質和有害物質」。

深紫外LED的開發空間還非常大。