紫外波段依據波長通常可以劃分為： 長波紫外或UVA(320<λ≤400 nm)、中波紫外或UVB(280<λ≤320 nm)、短波紫外或UVC(200<λ≤280 nm)以及真空紫外VUV(10<λ≤200 nm)[1]。紫外發光二極管(LED)因其在激發白光、生化探測、殺菌消毒、凈化環境、聚合物固化以及短距離安全通訊等諸多應用領域有著巨大的潛在應用價值而備受關注。此外，基于氮化鋁鎵(AlGaN)材料的紫外LED也是目前氮化物技術發展和第三代半導體材料技術發展的主要趨勢，擁有廣闊的應用前景。目前全球紫外光源市場規模約為4.27億美元，不過傳統紫外汞燈仍然占據市場主導地位。與傳統紫外汞燈相比，AlGaN基紫外LED有著長壽命、低電壓、波長可調、環保、方向性好、迅速切換、耐震耐潮、輕便靈活等眾多優點。隨著技術的發展，將成為未來新型應用的主流。
目前國際上在紫外LED領域技術水平處于先進行列的機構以美國和日本居多，如美國的南卡羅來納州立大學、SETi公司、北卡羅萊納州立大學、CrystalIS公司，日本的名城大學、名古屋大學、理化研究所、NTT基礎研究實驗室、Nikisso公司，此外還有柏林工業大學，韓國首爾半導體與LGInnotek，等等。國內研究機構以中國科學院半導體研究所為代表，長期引領國內本領域的技術發展，并與北京大學、廈門大學、西安電子科技大學通過合作研究，共同推動了自主技術持續進步。在國內紫外LED的產業化方面，圓融光電(青島杰生)公司較早推出了深紫外產品;中科優唯公司通過與中國科學院半導體研究所深度合作，在深紫外LED的外延芯片上游領域布局并取得突破;以鴻利智匯、國星光電為代表的中游封裝公司也相繼推出了各自的深紫外LED產品。
圖1從深紫外LED的發光波長與外量子效率(EQE)的角度[2-4]，總結了主要研究機構和公司在深紫外LED領域報導的代表性結果。可以看出，深紫外LED的EQE基本不超過10%，大部分量子效率在5%以下。實際上，目前可購買的UVB、UVC波段LED產品的量子效率往往只有1%—2%。這與淺紫外和藍光LED的水準顯然相去甚遠。
圖2所示為藍寶石襯底上典型的UV-LED外延結構圖。與GaN基藍光LED相比，深紫外LED的研制面臨著許多獨特的技術困難，如：高Al組分AlGaN的材料的外延生長困難，一般而言，Al組分越高，晶體質量越低，位錯密度普遍在109cm-2—1010cm-2乃至更高; AlGaN材料的摻雜與GaN相比要困難得多，不論n型摻雜還是p型摻雜，隨著Al組分的增加，外延層的電導率迅速降低，尤其是p-AlGaN的摻雜尤為棘手，摻雜劑Mg的激活效率低下，導致空穴不足，導電性和發光效率銳降;同時紫外LED往往在平面藍寶石襯底上外延生長，出光效率低，等等。針對這些技術難點，目前已經發展出一些解決方案，如AlN同質襯底技術[5]、納米圖形襯底外延技術(NPSS)[6]和透明p型層技術[7]等等。
在圖2所示的外延結構中，可以看到，深紫外LED往往使用pGaN作為p型歐姆接觸層，有時候這一層的厚度會達到上百納米，而pGaN對于量子阱發出的深紫外波段光線有強烈的吸收，因此深紫外 LED一般采用倒裝結構，如圖3所示。通過采用對于深紫外光透明的pAlGaN層、減小pGaN層的厚度，可以有效緩解這一問題，提升深紫外LED器件的光提取效率。限制深紫外LED器件光提取效率的另一個重要因素是平面藍寶石襯底，平面藍寶石襯底導致嚴重的界面全反射，大量的紫外光限制在外延層中出不來。對于UV-C LED，這一問題尤為嚴重，隨著 Al 組分的增加和波長的減小，發光從TE 模式主導逐漸向 TM 模主導轉化，而TM 模的光提取效率不到TE模的十分之一。
針對這些難題，近些年國內外已有一些研究突破。日本名城大學的研究人員通過在 DUV LED 藍寶石背面制作蛾眼(moth-eye)結構獲得了1.5倍的光提取效率提升。美國研究人員通過在 280 nm DUV LED 的藍寶石背面制作微透鏡陣列，在 20 mA 注入電流下光輸出功率提高 55%。韓國研究人員的模擬結果顯示，納米柱結構能夠非常有效的提高 DUV LED 的光提取效率，尤其是增加 TM 的光提取。中國科學院半導體研究所通過采用納米圖形襯底技術(如圖4所示)，在20 mA 的注入電流下，將283 nm DUV LED 的光輸出功率由 1.5 mW 提高至 3 mW，外量子效率提升近一倍(如圖5所示)，其中很重要的提升因素源于納米圖形襯底帶來的光提取增強效果。此外，紫外波段高反射電極、襯底剝離及垂直結構芯片等技術都可以幫助進一步提升深紫外LED的光輸出功率。
盡管目前深紫外LED的效率和功率還不是很理想，但是可以初步應用于不少健康領域，因此近年來不斷涌現出采用深紫外LED的消毒牙刷、水杯等各種新型應用產品。實際上，毫瓦級的深紫外光在很多具體場景中就足以實現良好的殺菌消毒效果。其原理在于，深紫外光源通過破壞微生物的DNA和RNA阻止其繁殖，實現高效快速的廣譜殺菌。數據顯示，僅以30mW/cm2的UVC紫外輻照強度，一秒鐘即可對絕大部分細菌實現近乎100%的殺滅，效果非常顯著，可以廣泛應用于醫療衛生領域。在個人健康和家庭衛生領域，紫外光可以用于水杯碗筷消毒、空氣凈化除菌、殺滅螨蟲、鞋襪殺菌除臭、嬰兒奶瓶消毒等等，用武之地簡直不可勝數。而對于UVB波段特定波長的紫外線，可以為銀屑病、白癜風等皮膚病和一些難治的疾病提供了優良解決方案。
未來隨著深紫外材料外延水平的進一步提升，芯片器件新技術的應用，深紫外LED的EQE有望進一步提升到25%， 器件壽命將超過1萬小時， 屆時深紫外 LED 將會獲得更廣泛的應用。根據法國Yole公司的分析報告，過去的幾年中UV LED的市場年增長率平均接近30%，而在接下來的幾年中將加速增長。隨著在所有應用中逐步提高的普及率，UVA LED的市場將從2015年的1億美元增長到2021年的遠超3億美元;同時，隨著UVC LED技術的進步和價格的降低，紫外線消毒/凈化市場將獲得顯著增長，UVC LED市場有望從2015年的700萬美元增長到2021年的6億美元。在不遠的將來，光催化、殺菌消毒都有可能成長為數百億級的市場，而用于治療皮膚病的光療則可能讓UV-LED的應用系統成為千億級的市場。
致謝：感謝國家重點研發計劃項目/課題(2016YFB0400800、2016YFB04000802、2016YFB04000803)資助。
參考文獻
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