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未來之光——深紫外,殺細(xì)菌于無形
發(fā)布時間:2016-08-23 點(diǎn)擊率:6886  來源:鴻利智匯
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(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。

 


圖1、紫外殺菌原理(Nikkiso Giken Co., Ltd)

 

深紫外線的威力早就得到了證實(shí)。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。

 

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(jī)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(jī)構(gòu)(NICT)宣布,新開發(fā)的波長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,這一功率足以滿足實(shí)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(shí)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(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(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(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

 

2AlGaN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,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?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)樹脂對其進(jìn)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(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)向采用無機(jī)金屬或者陶瓷、玻璃封裝。通過采用無機(jī)材料對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,實(shí)現(xiàn)UVLED的全無機(jī)封裝,同時提出保護(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?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,尋求一種無機(jī)、氣密性、相對性價高的封裝方式是實(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)平臺實(shí)現(xiàn)對UV LED進(jìn)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(shí)現(xiàn)對深紫外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。

(本文未經(jīng)允許,不得轉(zhuǎn)載)

 

 

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