科學研究 - 提高深紫外LED性能實施無汞殺菌燈

紫外線中波長較短的深紫外線被用於殺菌燈等多種領域。殺菌燈的光源以汞燈爲主，不過目前正在開發不使用汞即可有效產生深紫外線的LED。走在該領域最前緣的是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

多年來一直被認爲難以實施的藍色LED（發光二極體）的發明催生了節能長壽的照明器具和顯示裝置等，大大改變了世界。目前最新的前緣研究之一是，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爲380～780奈米。紫外線的波長分爲UV-A至UV-C三個區域，UV-B和UV-C的波長範圍被稱爲「深紫外線」。265奈米左右的深紫外線爲DNA的吸收峰值，具有很強的殺菌效果。（nm：奈米）

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采用水銀，但隨着2017年《關於水銀的水俁條約》的生效，國際社會開始致力於減量水銀的使用，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：「雖然剝削競爭很激烈，但我們開發的深紫外LED實施了20.3％這一世界最高的發光效率。不過，要想實施普及，發光效率還需要進一步提高，超過作爲殺菌燈使用的低氣壓汞燈，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（具有電洞）的p型半導體相接合形成的pn結。裝載電壓後，電子與電洞結合並發光，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。爲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。因爲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）作爲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透過使原子有序排列的晶體在基礎物質（基底層）上成長來形成pn結。半導體基底層使用廉價的藍寶石（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晶體成長時會發生變形，出現稱爲晶格缺陷的瑕疵。沿着缺陷線形擴大的裂紋被稱爲晶體缺陷，缺陷密度（穿透差排密度）升高的話，發光效率就會降低。

藍色LED需要在基底層上形成缺陷較少的氮化鎵（GaN）晶體膜，實施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是在基底層上形成氮化鋁（AlN）晶體膜，並在上面成長AlGaN晶體。平山確立了在基底層上高品質形成AlN膜來減量缺陷的方法。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底層供應氣態材料，使之作爲晶體成長。平山開發的方法首先在基底層上成長作爲核心的氮化AlN，並以脈衝狀吹入氨氣，使其橫向成長，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。透過反復這一晶體成長程序，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，因此設備是半自制的，根據需要進行了改良」。

■圖2：利用穿透電子顯微術觀察發現，在AlN層成長的初始層，晶體的差排密度較高，但隨着進一步成長，形成了整齊的晶體。AlGaN層的差排密度較低。

透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。第一是「内部量子效率」，第二是「電子注入效率」，第三是「光提取效率」。平山正在努力研究提高這三種效率。

内部量子效率是表示隨着電流而產生的電子與電洞對以多大比例發光的值，表示發光層順利發光的程度。透過使晶體整齊成長並減量缺陷，成功提高了内部量子效率。

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：「終極因數是p型半導體的電洞數量與n型半導體的電子數量不平衡。由於難以增加電洞，透過形成一個電子障壁層（多量子電位障）來反射未結合而直接透過的電子，有效進行了結合」（圖3）。由此，大幅提高了電子注入效率。

■圖3：爲提高發光效率，利用多量子電位障反射電子，使之全部在發光層重新結合，另外，透過使接觸層透明化，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，發光區域產生的發光能量以多大比例被提取到外部，也即光提取效率。爲避免產生的光在器件結構内部被吸收，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，透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」。

接觸層内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，爲利用光的散射效應減量藍寶石基底層反射的深紫外線，對基底層進行了加工。透過這些方法，將原來不到10％的光提取效率提高到了5倍左右。將來爲了剝離藍寶石基底層提取光，預定設置氮化鋁柱狀結構，類比結果顯示，光提取效率有望達到70％。

透過改善與發光效率有關的3個因素，有望實施超過低氣壓汞燈的發光效率。

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：「透過改變晶體的成分，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奈米的帶域實施深紫外LED。可以根據用途，自由產生所需波長的深紫外線，比如冶癒特應性皮膚炎和銀屑病等使用的310奈米左右的光等」（圖4）。