浅析深紫外LED的前景与市场应用价值

张翔

摘要：紫外光源能够发出特定波段的紫外辐射，目前已广泛应用于医疗、净水等领域。本文主要介绍了深紫外波段LED的研究现状，讨论了UV-LED的优点和研究难点，通过列举出市场上部分深紫外LED的产品，对深紫外LED的应用前景进行了展望。

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.

關键词：紫外光源；深紫外LED；应用前景

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

中图分类号：TN312+.8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）33-0296-02

0 引言

LED（Light Emitting Diode）即发光二极管，是一种电致发光型的固态光源。世界上第一支LED于1962年问世，但只能发射红光波段光谱，慢慢地，黄光、绿光、蓝光的LED也陆续被研发出来[1]。紫外LED也属于LED的一个分支，虽然不能广泛用于LED照明领域，但是UV-LED作为一种新型紫外光源，它具有独特的优势，并且理论上UV-LED未来将替代所有的传统紫外光源。

1 深紫外LED介绍

波长小于400nm的波段被称为紫外波段。在UV-LED中，LED发射波长在300nm到400nm之间的称为近紫外LED，发射波长小于300nm的被称为深紫外LED。

1.1 制作工艺

UV-LED的制作工艺与普通LED的工艺大体相同，但是由于UV-LED的发光材料不同，因此选取的发光材料和封装形式会有一定区别，图1为深紫外LED的工艺流程图。

1.2 封装方式

深紫外LED由于发射的光谱波长通常小于300nm，所以在封装上要求更高，常用的封装形式有以下三种：

1.2.1 覆晶封装（FLIP FLOP）

覆晶封装的特点是采用倒装芯片，不需要金线和导电银胶，芯片通过底部电极金属层与基板电极焊接来实现电连接和固定，光从蓝宝石衬底取出。这种封装形式可以缩短封装过程的烘烤时间，能够减少低物料热应力，这种封装形式具有体积小、高光效、导热好、可靠性高等特点。

1.2.2 板上芯片封装（COB）

COB式封装最大的特点是封装效率高，通过将芯片直接安放在基底表面，通过热处理固定，最后利用丝焊的方法将芯片和基底建立电气连接，由于不需要支架，因此节省了器件的封装时间和成本[2]。

1.2.3 模组式封装（MODEUL）

模组式封装主要应用于大功率LED领域，通过将一定数量的芯片按规则排列在一起进行集成封装，模组式封装的UV-LED能满足高光功率的要求，它具有发热量大、出光效率高、寿命长等特点。

1.3 UV-LED的优势

传统的紫外光源通常为紫外汞灯，与传统的汞蒸气紫外放电光源相比，UV-LED具有诸多的优势。首先，在寿命上，紫外LED的使用寿命是汞灯的4～5倍；其次，汞灯点亮前需要启辉，而紫外LED的开关却十分方便，并且工作电流可调，工作电压也只有8～10V左右。从体积上，紫外LED更加小巧，便于携带，而紫外放电汞灯的体积却过于笨重；在光谱特性上，UV-LED的光谱为可调的单峰，而紫外汞灯光谱为固定的多杂峰。基于以上优势分析，UV-LED很可能会逐渐替代传统的紫外汞灯，成为新一代紫外光源。

2 研究中存在的问题

虽然紫外LED具有很多的优势，但是在研究和发展中，依然会遇到很多难题，这也是UV-LED难以大范围普及到人们生活中的原因，目前研究阶段存在的问题有：

2.1 芯片外延生长困难

目前紫外LED芯片最广泛使用的材料是GaN，禁带宽度为3.4 eV，对应的发光波长为365nm，属于近紫外波段。而深紫外LED是通过在GaN中添加Al扩大带隙，从而获得更短的发光波长。但是目前来看，高Al组分的AlGaN材料的外延生长困难，Al含量越高，晶体质量越低，外延层的导电率也越低，外量子效率基本不到10%[3]。

2.2 封装材料的老化

对于照明领域中的白光和蓝光LED，最常用的封装材料是环氧树脂，但是环氧树脂的性能在紫外光下会恶化，这是因为环氧树脂中的芳香环会吸收紫外光发生变色氧化，透光率会急速下降。目前，UV-LED常用的封装材料是硅树脂，硅树脂的抗氧化能力比较好，但是在波长小于320nm后，透光率也会逐渐下降，依然不能很好地满足深紫外LED的要求。

2.3 光提取效率较低

目前UV-LED多采用覆晶倒装芯片的封装形式，采用的是蓝宝石衬底，但是平面蓝宝石衬底会导致全反射，将大量紫外光限制在外延层，限制了UV-LED的光提取效率；同时，现在的所有LED芯片几乎都使用氧化铟锡作为透明导电层，但氧化铟锡材料对紫外光的吸收比不可见光高很多，目前台湾已有公司已试验用石墨烯代替氧化铟锡，以提高紫外LED的光提取效率。

3 具有前景的应用领域

虽然深紫外LED的研究还有很大的发展空间，但是一些近紫外LED的产品却已经出现在了市场上，而且随着LED技术的发展更加成熟，UV-LED的应用领域也将变得越来越广泛。

3.1 紫外固化光源

紫外固化技术是通过紫外线照射有机涂料，使其发生辐射交联反应，将相对分子质量低的物质固化成相对分子质量高的物质的化学过程[4]。在印刷油墨固化工艺中，光化学反应的实际吸收波长约为350～370nm之间，利用UV-LED可以很好地實现。

3.2 深紫外LED杀菌

紫外线可以破坏微生物的DNA结构，使细菌死亡或无法繁殖，从而实现杀菌目的。UV-LED杀菌也属于纯物理消毒，无毒无残留无异味，非常简洁高效。目前市场内推广比较多的产品都是生活电器，比如戴森工业生产的一款空气加湿器，先对水蒸气进行紫外杀菌后再进行加湿；有些冰箱内也安装了UV-LED，仅需要照射几分钟，便可以杀灭水果蔬菜表面的微生物和真菌；吸尘器的吸口处可以安装深紫外LED，吸尘的同时可以进行除螨，杀菌除螨率能达到99.9%。

3.3 紫外光通信

紫外光在空气中的散射作用，使紫外光的能量传输方向发生改变，这为紫外光通信奠定了通信基础。目前某些实验室已经可以利用UV-LED实现短距离的信号散射传输，在实际的通信应用中，可以将UV-LED组成阵列结构，通过提高发射功率来增加紫外光通信的传输距离[5]。

4 结论

随着部分近紫外LED产品的大力推广，也可以看到未来深紫外LED市场的潜力与发展前景。由于国内UV-LED的技术还不是很成熟，因此无论是紫外芯片还是光电器件的价格都相对偏高，目前市场上的深紫外LED还没能形成完善的产业链，但是UV-LED依然会是以后LED领域研究的热门方向。我认为，未来UV-LED主要的研究方向会以高质量的紫外发光材料外延和掺杂技术为主，同时加强深紫外波段的LED器件制作和封装技术。在未来的市场中，价格适宜、使用方便并且小型化的紫外LED产品会最先占据一席之地，以生活健康为主题的紫外LED产品会成为市场的主流推广对象。

参考文献：

[1]王声学，吴广宁，等.LED原理及其照明应用[J].灯与照明，2006，30（4）：32-35.

[2]谭巧.LED封装与检测技术[M].北京：电子工业出版.

[3]闫建昌，孙莉莉，等.紫外发光二极管现状及展望[J].照明工程学报，2017，28（1）：1-4.

[4]韩秋漪，荆忠，等.新型移动式LED紫外固化设备[J].涂料技术与文摘，2014，35（9）：43-48.

[5]郭求实，何宁，等.紫外LED散射通信信道特性与传输研究[J].光通信研究，2013（177）：64-66.