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什么是UVLED？UV-LED的工作原理及應用前景

來源：投影時代　更新日期：2020-06-09 作者：佚名

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一枝獨秀的“貴族”身價

最近LED的日子不好過，主要原因還是生產過剩，自從中國大陸氮化鎵LED藍光與綠光芯片技術突破之后，除了紅光之外，可見光波段的芯片價格就呈現指數下降，到現在還沒有停止過，巨大的應用市場讓國內廠家無節制的擴產，讓藍光綠光LED從鉆石價到黃金價到白銀價到礦石價再到白菜價，這個過程就是十年左右的時間，從以顆來賣到以k（千顆）來賣，現在聽說用片來賣了，據說兩寸切割好不分選的圓片芯片價格已經到100塊了，藍光與綠光LED從輝煌到平凡，大起與大落不過這幾年的光景，但是有一個波段的氮化鎵LED，目前價格仍然是堅挺不變，還是像鉆石黃金的價格，只要你能做出來，性能也不錯，大家提著錢跟你買！是什么樣的LED可以這樣，幾乎十年價格不變呢？老葉今天就不賣關子了，答案就是紫外光UV（Ultra Violet）波段的LED，它為什么有這樣的魔力？這就是我今天要跟大家介紹的主題—UV LED！

讓人又怕又愛的UV光是如何問世的？

首先可能要幫大家復習一下以前課堂上講過的紫外線UV，如圖一所示是電磁波的光譜，從最短的伽馬射線到最長的無線電波都屬于電磁波，而光是電磁波的一種，紫外線UV是介于200納米到410納米波段的電磁波，根據光量子論，波長越短的光，能量越強，對生物的破壞性越大，紫外線UV就是這樣的光，本來我們的太陽射到地球的光譜里是有這個波段的，但是由于地球大氣層的保護，尤其是大氣的臭氧層吸收太陽光譜的紫外線（UV），所以破壞力如此巨大的電磁波才沒有進入我們的生活環境，萬物才得以在地球繁衍，生生不息。

圖一各種波段的電磁波與應用

根據UV能量的大小不同，其實就是波長的不同，我們又把UV分成三種，它們分別是：

UVA（320~410nm）、UVB（280nm~320nm）、UVC（200nm~280nm）。

那么問題來了，除了太陽光譜里面的UV光，我們人類要如何得到UV光呢？

第一種方法就是尋找一種原子。他的電子激發態與基態的能量差剛好在紫外線的范圍，我們知道電子在原子軌道的躍遷會以電磁波的形式做能量的轉換，很幸運的是我們的周期表內有這樣的元素剛好符合這樣的要求。

但是很不幸的是，這個元素是對人類或地球環境有害的汞，俗稱水銀，汞燈或俗稱水銀燈是目前紫外線消毒,固化與曝光最主流的產品，甚至日光燈管與節能燈也是汞燈最大的應用之一，這種燈的原理很簡單，陰極射線管打出的高能電子激發汞蒸汽的原子呈激發態，激發態電子回到基態放出紫外光，如果外面涂上紅綠藍RGB的熒光粉，就是日光燈或節能燈。

如下圖二所示，就是汞燈的原理圖（看不懂沒關系，跳過不影響對本文的理解），由于價格便宜，過去的照明與現在的消毒殺菌，它都是最主流的產品，以前我們讀武俠小說所謂的以毒攻毒，我想用汞燈來消毒就是最好的比喻吧！

圖二原子能級躍遷與汞燈的原理示意圖

第二種方法就是利用半導體發光原理來制造UV波段的光源，大家都知道氮化鋁到氮化鎵或銦鎵氮（InGaN）系列的三五族半導體材料的禁帶寬度（band gap）剛好落在藍光到紫外光波段之間，但是如何生長這樣的材料始終無法解決，所以這樣的想法一直持續到上個世紀九零年代初，直到后來得了諾貝爾獎的日亞化學的中村修二博士與名古屋大學的赤崎勇和田野浩教授團隊的一系列突破才開始了氮化鎵時代，如圖三所示，利用鋁銦鎵氮材料的配比變化，我們可以做出各種不同波段的紫外線與可見光。（此處看不懂也沒關系，只要記住我們人類可以通過一些材料的配比，造出比肩紫外線的光即可）

圖三不同的鋁銦鎵氮AlInGaN材料配比與禁帶寬度和發射波長示意圖

UV的強大本領：文能做美甲，武能殺細菌

水能載舟亦能覆舟，照射UV雖然對人體有害，但是它卻是危害人類的細菌與病毒的天敵，尤其是UVC波段的紫外線，如圖四所示，它可以將危害人類的細菌與病毒在短時間內殺死。

圖四 UVC殺菌的應用與示意圖

UVC LED應用相對廣泛，可以廣泛應用在諸如醫院，空調系統，消毒柜，水處理設備，飲水機，污水處理廠，游泳池，食品飲料加工及包裝設備上。此外，在離我們老百姓日常生活最近的場景中，最近有不少消毒、殺菌方面的應用產品陸續涌現，如母嬰用品消毒盒、牙刷滅菌器、便攜式消毒器等等。

而UVB處于一個比較尷尬的角色，目前幾乎沒有什么應用，最近聽說開始有醫療方面應用使用UVB波段，293nm的UVB可以產生維生素D3，抑制骨骼疏松癥等代謝性骨病，尤其是缺乏日照的地區，但是由于市場實在太小了，幾乎沒人談論UVB。

而UVA波段因為能夠照射特殊膠水使膠水產生聚合反應從而固化，所以目前是UV市場的主流。

如何固化？我是學物理的，有機化學不是我的專長，所以我就用我懂的知識給大家科普一下吧！UV膠固化原理是UV 固化材料中的光引發劑（或光敏劑）在紫外線的照射下吸收紫外光后產生活性自由基或陽離子，引發單體聚合、交聯和接支化學反應，使粘合劑在數秒鐘內由液態轉化為固態，因為光引發劑只有在合適的波長范圍內才能最大限度的發揮它的引發效率，讓膠水最快速的成膜，所以不同的波長會對應不同的UV膠水，我所了解到的是365nm波長光引發劑的UV膠比較便宜，但是365nm波長的UV LED比較貴，綜合之后365nm與380nm~395nm的UV固化技術性價比不相上下，也許未來365nm波長LED性價比有所突破，主流的固化技術將會是365nm。

UVA波段的典型應用為紫外固化和UV噴墨打印，代表波長為380nm~395nm、365nm~370nm，在顯示屏、電子醫療、儀表等行業的UV膠黏劑固化;建材、家具、家電、汽車等行業的UV涂料固化;印刷、包裝等行業的UV油墨固化都可以看見UVA的蹤影，以電子業來說對，PCB版的曝光機主要波長是365nm，半導體芯片的防潮濕保護涂層，晶圓掩膜等，都需要UV膠水固化的技術。除了這些應用，在日常生活上，我們也可以時常看到UV的身影，例如365nm波長消滅蚊子的滅蚊燈，這個應用是其它波段做不到的；還有使用UVA固化美甲膠水的美甲機，通常使用365nm與390nm兩個波段，可以讓涂上膠水的指甲更艷麗！

圖五 UVLED各種不同波段的產品應用

優勢明顯，但還差價格這最后一道防線

跟汞燈相比，除了價格以外，它有非常多的優點：

1、可靠度高，無需預熱即刻達到100%功率紫外輸出；

2、無有毒物質汞，也不會產生臭氧；

3、壽命長且不受開關次數而影響壽命；

4、UVLED是電致發光的，直接電光轉換，能量轉換損失少，待機時電力消耗幾乎為零更是它最大的優勢。

雖然UVC-LED有這么多的優點，但是它最致命的問題就是價格高得離譜，而且隨著波長的降低，價格也呈現指數的上升，以280nm與265nm的UVC-LED來說，一顆器件是以它可以發出多少毫瓦mW來計算多少錢，一個日本品牌的UVC器件，低功率一毫瓦的價格大約是1~2塊美金，一顆外部量子效率只有2%~3%的高功率UVC-LED，大約40~50mW，一顆器件至少要100到200塊美金，這樣貴的價格，大大地限制了UVC-LED的應用，除非需要體積小的消毒殺菌工具，否則很難進入比較大的市場。不過正如前面所說，目前市場上也主要先以便于安裝和攜帶的消毒或殺菌器件為主，如奶瓶、凈水器、加濕器等等。

但是UV的價格為什么這么多年還這么貴？也許技術就是UV-LED最大的障礙！

除了波長385nm以上的正裝UVA-LED，UV LED目前最大的問題就是制造工藝復雜導致價格太高，這需要從LED產業的本質說起。

我們知道，經過這二十幾年氮化鎵LED的發展，不同波長的LED價格和市場份額主要是受技術門檻的影響。波長越短的技術要求越高，所以UV-B，UV-C-LED價格約是UV-A波段LED價格的10倍，UV-A中主要應用的365nm波長LED價格是另一主要應用波長385-405nm LED的2-3倍。紫外和藍光產品的生產成本沒有本質的差異，價格之所以差異這么大，主要是產品研究開發的投入差異非常大。

有趣的是，各不同波段產品開發的難度基本上和價格成正比，而各波段LED的性能和價格成反比。UV-A中的365-405nm還可以采用氮化鎵(GaN)和發光效率高的銦鎵氮(InGaN)。UV-B和UV-C則整個結構都是采用發光效率低的鋁鎵氮(AlGaN)材料，而不是目前大家熟悉的氮化鎵和銦鎵氮，因為這兩種材料會吸收365nm波長以下的紫外光。所以UVB-LED和UVC-LED的發光效率會低很多。從所報道的結果來看，UV-B和UV-C波段的LED發光效率是UV-A的10%-20%，365nm是385-405nm LED發光效率的50-70%。

圖六藍紫光與紫外材料系列的發光效率與波長示意圖

擋在“貴族”面前的三座技術大山

1、外延的技術難題。

目前UV外延片還是使用現有的藍綠光設備生長外延結構，藍寶石襯底還是主流，目前銦鎵氮（InGaN）材料是藍光與綠光LED的主流，我們利用銦（In）組分的不同可以得到紅光到紫外光的波長范圍，光電轉換效率最大值在430~450nm波長，往長波長呈緩慢遞減，往短波長會快速遞減，如圖六所示，波長低于380納米后效率會更低，氮化鎵的帶隙寬度是3.4電子伏特（eV），剛好落在365nm的波長，也是銦鎵氮材料的極限，但是UV短波長LED的困難點就在于此，在365納米以下的UVA LED，有非常多的問題需要克服，我認為有兩個關鍵技術難點最致命。

請看圖七是UVLED外延結構示意圖，如圖所示，第一個問題是發光層以外的各層材料光吸收問題，當波長短于370納米之后，P型的氮化鎵會吸光，導致量子井發出的光被大量吸收，另外一個問題就是波長越短需要更低的銦組分，銦組分降低會導致銦鎵氮發光層的非均勻性被破壞，進而導致電光轉換效率的降低，所以為了得到更短的波長，在發光層引入四元的AlInGaN與氮化鋁AlN（6.2eV，197納米）材料是更短波長的UVLED技術迫切需要的技術，氮化鎵帶隙波長位在365nm, 往短波長須拉高鋁（Al）含量，會使的結構產生伸張應力(tensile strain), 往長波長須拉高銦含量（In）會使的結構產生壓縮應力(compress strain)，相對于傳統藍光與綠光的壓縮應力，鋁含量升高的伸張應力會使得外延難度上升非常多。

目前這個問題還是一直困擾著UV LED的外延工程師，導致UVC的內部量子效率始終只有不到50%。當然發光波長越短，其它P型層與N型層的材料更需要加入Al的組分，讓吸光的比率降低，所以氮化鋁（AlN）與鋁鎵氮（AlGaN）材料的生長更重要，這就需要更高溫的MOCVD系統設計，目前主流的藍光MOCVD系統還不具備這樣的條件。

所以，因為這些問題的積累，限制了目前UVA的365nm波長與UVC波段的外延技術，最后導致成本居高不下。

圖七典型的UV外延結構示意圖

1、芯片的技術難題。

芯片的問題不比外延少，主要是正裝芯片工藝已經無法滿足UVLED的要求了，尤其是380納米以下的UVLED芯片，目前UVA最主流的技術是垂直結構芯片，由于垂直結構芯片的發光面在N型材料，可以有效的降低光被吸收的問題，另外垂直結構的光型穩定，大部分都是軸向光，幾乎沒有側向光，輻射效率高，在固化制程上有比較穩定與均勻的光分布。目前垂直結構的芯片有硅襯底化學剝離技術與藍寶石襯底激光剝離技術，由于兩種工藝的良率較低，工藝較復雜所以成本都比較高，單價是目前正裝芯片的3到5倍價格。

而針對UVC結構的280nm與265nm，目前主流的技術是倒裝結構，關鍵問題還是如何降低氮化鎵對UVC的光吸收以及良好的歐姆反射電極，而與N型鋁鎵氮合適的歐姆接觸電極也是非常重要的。

圖八是UVLED三種結構的比較示意圖，由性能與成本來看，385nm以上的波長使用便宜的正裝結構與性能優異的垂直結構各具優勢，375nm以下波長的UVA適合垂直結構，由于有較好的散熱路徑，UVC的波段適合倒裝結構，這也是目前市場上為什么385nm以上的器件很便宜，但是波長越短的UV，價格越來越貴的原因之一吧。

圖八三種UVLED芯片結構的比較示意圖

3、封裝的技術難題。

雖然相對容易一些，但是難度跟傳統LED封裝相比，困難了許多，主要是目前的LED封裝材料都無法滿足UV波段的要求，通常為應對UV LED封裝要求，采用無機氣密玻璃封裝的UV LED，應對UV LED高能的輻射。因此，減少使用有機類的材料，甚至是完全不采用有機類材料對UV LED進行封裝，進而減少或避免因為有機材料導致的衰減問題與濕熱應力導致失效的問題。在UV波段有較高的穿透率無機材料，目前的玻璃，石英與NOVAXIL玻璃是UV封裝的必備材料，圖九是它們在UVA與UVC的穿透率與其它特性的比較示意圖。

圖九不同的材料在UV波段的特性比較圖表

除了封裝材料以外，另一個挑戰是UV LED的熱管理，尤其是UVC LED的外量子效率（EQE）特別低，它們只將大約2~3％的功率輸入轉換成光。剩余97％的功率被轉換成熱量，熱量必須要快速去除，所以導熱基板必須要有非常高的導熱系數，過去的PCB，陶瓷與鋁基板都很難達到這樣的要求，除非加入主動散熱的技術。最主流的封裝基板氮化鋁（AIN）具有優異的導熱性（140W/mK-170W/ mK），但是很昂貴，另外3D成型DPC陶瓷基板，以在陶瓷基板表面一體成型獲得金屬密封腔，形成陶瓷-金屬3D密封結構也可以滿足現有UV封裝技術的發展需要,圖十是目前UV封裝所用的主要材料示意圖，我認為UVC封裝的成本高企，除了貴得離譜的芯片，主要還是需要更好的材料來維持它的可靠度。

圖十UV封裝結構與封裝材料的示意圖

各路玩家入局，UV LED取代汞燈指日可待

現在的UVC-LED玩家，技術領先以日美企業為主，其中包括美國Crystal IS、日本的日機裝（NIKKISO）等國際公司，第二梯隊為以LG Innotek為代表的韓國企業和以光鋐科技為代表的臺灣企業，當然除了青島杰森有UVC消毒殺菌的產品之外，內地的公司大部分還是處于研發階段，現在我幫大家介紹各家企業的UVC-LED技術水平，我們一般使用電光轉換效率來評價。

日機裝NIKKISO最近宣布的280nm波長UVC-LED的輸出功率為140mW，使用電流為350mA，最終折算的電光轉換效率約為2.5%左右，為國際領先水平。Crystal IS 的275nm波長LED，其輸出功率為67mW，其光電轉換效率為1.3%。LG Innotek的278nm LED，350mA下最大輸出功率為60mW，其效率約在1.6%。臺灣代表企業有光鋐科技，其280nm LED 40mA時輸出功率為6mW左右，其效率約為1.5%。國內廠商青島杰生的官網顯示，其275-285nm LED，40mA下輸出功率為1.5-4.0mW，光電轉換效率為0.3-0.8%。

目前所有的紫外光源總產值中，汞燈還是占據主導地位，但是紫外LED目前也正在奮起直追，預計在三年后，所有紫外光源的總產值占比將會超越汞燈。

圖十一國內UV-LED產業鏈分布圖（部分來源材料深一度）

當然，這要歸功與UV LED的技術在國內已經有了相當顯著的突破，圖十一是內地UV-LED產業鏈示意圖，由于外延芯片與封裝技術的門檻，具有差異化產品導向的公司例如具有硅襯底技術的晶能光電與巨無霸公司三安光電和開發晶科技主導著UVA的市場，逼迫臺灣的光鋐晶電聯勝，韓國的LG首爾半導體與日本的日亞化學和日機裝等公司轉向難度更高的UVC市場，當然不管是國內與國外，都有幾家UV技術比較突出的小公司，它們是技術導向的垂直整合公司，做出整個UVA固化模組或燈具，直接面向市場，例如我的朋友華中科大陳長清教授的優煒星科技與李允立博士在臺灣創立的獨角獸公司錼創科技，這兩家公司掌握垂直整合的技術能力，開發終端的UV固化產品，大家不要以為錼創科技只有Micro LED，UVLED與藍光激光模組也是他們的主要產品。