UV LED：身价比黄金还贵的职业“杀手”？工地用照明灯

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河南省实现“led照明+可见光通信”技术推广应用

UV LED：身价比黄金还贵的职业“杀手”

2022-05-27    

   作者：叶国光  

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　　一枝独秀的“贵族”身价

　　最近LED的日子欠好过，主要缘故原由照样生产过剩，自从中国大陆氮化镓LED蓝光与绿光芯片手艺突破之后，除了红光之外，可见光波段的芯片价钱就出现指数下降，到现在还没有住手过，伟大的应用市场让海内厂家无控制的扩产，让蓝光绿光LED从钻石价到黄金价到白银价到矿石价再到白菜价，这个历程就是十年左右的时间，从以颗来卖到以k(千颗)来卖，现在听说用片来卖了，听说两寸切割好不分选的圆片芯片价钱已经到100块了，蓝光与绿光LED从绚烂到普通，大起与大落不外这几年的光景，然则有一个波段的氮化镓LED，现在价钱仍然是坚挺稳固，照样像钻石黄金的价钱，只要你能做出来，性能也不错，人人提着钱跟你买!是什么样的LED可以这样，险些十年价钱稳固呢?老叶今天就不卖关子了，谜底就是紫外光UV(Ultra Violet)波段的LED，它为什么有这样的魔力?这就是我今天要跟人人先容的主题—UV LED!

　　让人又怕又爱的UV光是若何问世的?

　　首先可能要帮人人温习一下以前课堂上讲过的紫外线UV，如图一所示是电磁波的光谱，从最短的伽马射线到最长的无线电波都属于电磁波，而光是电磁波的一种，紫外线UV是介于200纳米到410纳米波段的电磁波，凭证光量子论，波长越短的光，能量越强，对生物的损坏性越大，紫外线UV就是这样的光，原本我们的太阳射到地球的光谱里是有这个波段的，然则由于地球大气层的珍爱，尤其是大气的臭氧层吸收太阳光谱的紫外线(UV)，以是损坏力云云伟大的电磁波才没有进入我们的生涯环境，万物才得以在地球繁衍，生生不息。

　　

图一种种波段的电磁波与应用

　　凭证UV能量的巨细差异，着实就是波长的差异，我们又把UV分成三种，它们划分是：

　　UVA(320~410nm)

　　UVB(280nm~320nm)

　　UVC(200nm~280nm)

　　那么问题来了，除了太阳光谱内里的UV光，我们人类要若何获得UV光呢?

　　第一种方式就是寻找一种原子。他的电子引发态与基态的能量差刚幸亏紫外线的局限，我们知道电子在原子轨道的跃迁会以电磁波的形式做能量的转换，很幸运的是我们的周期表内有这样的元素正好相符这样的要求。

　　然则很不幸的是，这个元素是对人类或地球环境有害的汞，俗称水银，汞灯或俗称水银灯是现在紫外线消毒,固化与曝光最主流的产物，甚至日光灯管与节能灯也是汞灯最大的应用之一，这种灯的原理很简朴，阴极射线管打出的高能电子引发汞蒸汽的原子呈引发态，引发态电子回到基态放出紫外光，若是外面涂上红绿蓝RGB的荧光粉，就是日光灯或节能灯。

　　如下图二所示，就是汞灯的原理图(看不懂没关系，跳过不影响对本文的明晰)，由于价钱廉价，已往的照明与现在的消鸩杀菌，它都是最主流的产物，以前我们读武侠小说所谓的以毒攻毒，我想用汞灯来消毒就是最好的比喻吧!

图二原子能级跃迁与汞灯的原理示意图

　　第二种方式就是行使半导体发光原理来制造UV波段的光源，人人都知道氮化铝到氮化镓或铟镓氮(InGaN)系列的三五族半导体质料的禁带宽度(band gap)正好落在蓝光到紫外光波段之间，然则若何生长这样的质料始终无法解决，以是这样的想法一直延续到上个世纪九零年月初，直到厥后得了诺贝尔奖的日亚化学的中村修二博士与名古屋大学的赤崎勇和野外浩教授团队的一系列突破才最先了氮化镓时代，如图三所示，行使铝銦镓氮质料的配比转变，我们可以做出种种差异波段的紫外线与可见光。(此处看不懂也没关系，只要记着我们人类可以通过一些质料的配比，造出比肩紫外线的光即可)

图三 差其余铝銦镓氮AlInGaN质料配比与禁带宽度和发射波长示意图

　　UV的壮大手段：文能做美甲，武能杀细菌

　　水能载舟亦能覆舟，照射UV虽然对人体有害，然则它却是危害人类的细菌与病毒的天敌，尤其是UVC波段的紫外线，如图四所示，它可以将危害人类的细菌与病毒在短时间内杀死。

图四UVC杀菌的应用与示意图

　　UVCLED应用相对普遍，可以普遍应用在诸如医院，空调系统，消毒柜，水处置装备，饮水机，污水处置厂，游泳池，食物饮料加工及包装装备上。此外，在离我们老国民一样平常生涯最近的场景中，最近有不少消毒、杀菌方面的应用产物陆续涌现，如母婴用品消毒盒、牙刷灭菌器、便携式消毒器等等。

　　而UVB处于一个对照尴尬的角色，现在险些没有什么应用，最近听说最先有医疗方面应用使用UVB波段，293nm的UVB可以发生维生素D3，抑制骨骼松散症等代谢性骨病，尤其是缺乏日照的区域，然则由于市场着实太小了，险些没人谈论UVB。

　　而UVA波段由于能够照射特殊胶水使胶水发生聚合反映从而固化，以是现在是UV市场的主流。

　　若何固化?我是学物理的，有机化学不是我的专长，以是我就用我懂的知识给人人科普一下吧!UV胶固化原理是UV 固化质料中的光引发剂(或光敏剂)在紫外线的照射下吸收紫外光后发生涯性自由基或阳离子，引发单体聚合、交联和接支化学反映，使粘合剂在数秒钟内由液态转化为固态，由于光引发剂只有在合适的波长局限内才气最大限度的施展它的引发效率，让胶水最快速的成膜，以是差其余波长会对应差其余UV胶水，我所领会到的是365nm波长光引发剂的UV胶对照廉价，然则365nm波长的UV LED对照贵，综合之后365nm与380nm~395nm的UV固化手艺性价比平起平坐，也许未来365nm波长LED性价比有所突破，主流的固化手艺将会是365nm。

　　UVA波段的典型应用为紫外固化和UV喷墨打印，代表波长为380nm~395nm、365nm~370nm，在显示屏、电子医疗、仪表等行业的UV胶黏剂固化;建材、家具、家电、汽车等行业的UV涂料固化;印刷、包装等行业的UV油墨固化都可以望见UVA的踪影， 以电子业来说对，PCB版的曝光机主要波长是365nm，半导体芯片的防湿润珍爱涂层，晶圆掩膜等，都需要UV胶水固化的手艺。除了这些应用，在一样平常生涯上，我们也可以时常看到UV的身影，例如365nm波长祛除蚊子的灭蚊灯，这个应用是其它波段做不到的;尚有使用UVA固化美甲胶水的美甲机，通常使用365nm与390nm两个波段，可以让涂上胶水的指甲更艳丽!

图五UVLED种种差异波段的产物应用

　　优势显著，但还差价钱这最后一道防线

　　跟汞灯相比，除了价钱以外，它有异常多的优点：

　　1、可靠度高，无需预热马上到达100%功率紫外输出;

　　2、无有毒物质汞，也不会发生臭氧;

　　3、寿命长且不受开关次数而影响寿命;

　　4、UVLED是电致发光的，直接电光转换，能量转换损失少，待机时电力消耗险些为零更是它最大的优势。

作价7600万 联建光电子公司内部转让股权

　　虽然UVC-LED有这么多的优点，然则它最致命的问题就是价钱高得离谱，而且随着波长的降低，价钱也出现指数的上升，以280nm与265nm的UVC-LED来说，一颗器件是以它可以发出若干毫瓦mW来盘算若干钱，一个日本品牌的UVC器件，低功率一毫瓦的价钱约莫是1~2块美金，一颗外部量子效率只有2%~3%的高功率UVC-LED，约莫40~50mW，一颗器件至少要100到200块美金，这样贵的价钱，大大地限制了UVC-LED的应用，除非需要体积小的消鸩杀菌工具，否则很难进入对照大的市场。不外正如前面所说，现在市场上也主要先以便于安装和携带的消毒或杀菌器件为主，如奶瓶、清水器、加湿器等等。

　　然则UV的价钱为什么这么多年还这么贵?也许手艺就是UV-LED最大的障碍!

　　除了波长385nm以上的正装UVA-LED，UV LED现在最大的问题就是制造工艺庞大导致价钱太高，这需要从LED产业的本质提及。

　　我们知道，经由这二十几年氮化镓LED的生长，差异波长的LED价钱和市场份额主要是受手艺门槛的影响。波长越短的手艺要求越高，以是UV-B，UV-C-LED价钱约是UV-A波段LED价钱的10倍，UV-A中主要应用的365nm波长LED价钱是另一主要应用波长385-405nm LED的2-3倍。紫外和蓝光产物的生产成本没有本质的差异，价钱之以是差异这么大，主要是产物研究开发的投入差异异常大。

　　有趣的是，各差异波段产物开发的难度基本上和价钱成正比，而各波段LED的性能和价钱成反比。UV-A中的365-405nm还可以接纳氮化镓(GaN)和发光效率高的铟镓氮(InGaN)。UV-B和UV-C则整个结构都是接纳发光效率低的铝镓氮(AlGaN)质料，而不是现在人人熟悉的氮化镓和铟镓氮，由于这两种质料会吸收365nm波长以下的紫外光。以是UVB-LED和UVC-LED的发光效率会低许多。从所报道的效果来看，UV-B和UV-C波段的LED发光效率是UV-A的10%-20%，365nm是385-405nm LED发光效率的50-70%。

图六蓝紫光与紫外质料系列的发光效率与波长示意图

　　挡在“贵族”眼前的三座手艺大山

　　1、外延的手艺难题。

　　现在UV外延片照样使用现有的蓝绿光装备生长外延结构，蓝宝石衬底照样主流，现在铟镓氮(InGaN)质料是蓝光与绿光LED的主流，我们行使铟(In)组分的差异可以获得红光到紫外光的波长局限，光电转换效率最大值在430~450nm波长，往长波长呈缓慢递减，往短波长会快速递减，如图六所示，波长低于380纳米后效率会更低，氮化镓的带隙宽度是3.4电子伏特(eV)，正好落在365nm的波长，也是铟镓氮质料的极限，然则UV短波长LED的难题点就在于此，在365纳米以下的UVA LED，有异常多的问题需要战胜，我以为有两个要害手艺难点最致命。

　　请看图七是UVLED外延结构示意图，如图所示，第一个问题是发光层以外的各层质料光吸收问题，当波是非于370纳米之后，P型的氮化镓会吸光，导致量子井发出的光被大量吸收，另外一个问题就是波长越短需要更低的铟组分，铟组分降低会导致铟镓氮发光层的非平均性被损坏，进而导致电光转换效率的降低，以是为了获得更短的波长，在发光层引入四元的AlInGaN与氮化铝AlN(6.2eV，197纳米)质料是更短波长的UVLED手艺迫切需要的手艺，氮化镓带隙波长位在365nm, 往短波長須拉高铝(Al)含量 ，会使的结构发生伸张应力(tensile strain), 往長波長須拉高銦含量(In)会使的结构发生压缩应力(compress strain)，相对于传统蓝光与绿光的压缩应力，铝含量升高的伸张应力會使得外延難度上升异常多。

　　现在这个问题照样一直困扰着UV LED的外延工程师，导致UVC的内部量子效率始终只有不到50%。固然发光波长越短，其它P型层与N型层的质料更需要加入Al的组分，让吸光的比率降低，以是氮化铝(AlN)与铝镓氮(AlGaN)质料的生长更主要，这就需要更高温的MOCVD系统设计，现在主流的蓝光MOCVD系统还不具备这样的条件。

　　以是，由于这些问题的积累，限制了现在UVA的365nm波长与UVC波段的外延手艺，最后导致成本居高不下。

图七典型的UV外延结构示意图

　　2、芯片的手艺难题

　　芯片的问题不比外延少，主要是正装芯片工艺已经无法知足UVLED的要求了，尤其是380纳米以下的UVLED芯片，现在UVA最主流的手艺是垂直结构芯片，由于垂直结构芯片的发光面在N型质料，可以有用的降低光被吸收的问题，另外垂直结构的光型稳固，大部门都是轴向光，险些没有侧向光，辐射效率高，在固化制程上有对照稳固与平均的光漫衍。现在垂直结构的芯片有硅衬底化学剥离手艺与蓝宝石衬底激光剥离手艺，由于两种工艺的良率较低，工艺较庞大以是成本都对照高，单价是现在正装芯片的3到5倍价钱。

　　而针对UVC结构的280nm与265nm，现在主流的手艺是倒装结构，要害问题照样若何降低氮化镓对UVC的光吸收以及优越的欧姆反射电极，而与N型铝镓氮合适的欧姆接触电极也是异常主要的。

　　图八是UVLED三种结构的对照示意图，由性能与成原本看，385nm以上的波长使用廉价的正装结构与性能优异的垂直结构各具优势，375nm以下波长的UVA适合垂直结构，由于有较好的散热路径，UVC的波段适合倒装结构，这也是现在市场上为什么385nm以上的器件很廉价，然则波长越短的UV，价钱越来越贵的缘故原由之一吧。

图八 三种UVLED芯片结构的对照示意图

　　3、封装的手艺难题

　　虽然相对容易一些，然则难度跟传统LED封装相比，难题了许多，主要是现在的LED封装质料都无法知足UV波段的要求，通常为应对UV LED封装要求，接纳无机气密玻璃封装的UV LED，应对UV LED高能的辐射。因此，削减使用有机类的质料，甚至是完全不接纳有机类质料对UV LED举行封装，进而削减或制止由于有机质料导致的衰减问题与湿热应力导致失效的问题。在UV波段有较高的穿透率无机质料，现在的玻璃，石英与NOVAXIL玻璃是UV封装的必备质料，图九是它们在UVA与UVC的穿透率与其它特征的对照示意图。

图九 差其余质料在UV波段的特征对照图表

　　除了封装质料以外，另一个挑战是UV LED的热治理，尤其是UVC LED的外量子效率(EQE)稀奇低，它们只将约莫2~3%的功率输入转换成光。剩余97%的功率被转换成热量，热量必须要快速去除，以是导热基板必须要有异常高的导热系数，已往的PCB，陶瓷与铝基板都很难到达这样的要求，除非加入自动散热的手艺。最主流的封装基板氮化铝(AIN)具有优异的导热性(140W/mK-170W/ mK)，然则很昂贵，另外3D成型DPC陶瓷基板，以在陶瓷基板外面一体成型获得金属密封腔，形成陶瓷-金属3D密封结构也可以知足现有UV封装手艺的生长需要,图十是现在UV封装所用的主要质料示意图，我以为UVC封装的成本高企，除了贵得离谱的芯片，主要照样需要更好的质料来维持它的可靠度。

图十UV封装结构与封装质料的示意图

　　各路玩家入局，UV LED取代汞灯指日可待

　　现在的UVC-LED玩家，手艺领先以日美企业为主，其中包罗美国Crystal IS、日本的日机装(NIKKISO)等国际公司，第二梯队为以LG Innotek为代表的韩国企业和以光鋐科技为代表的台湾企业，固然除了青岛杰森有UVC消鸩杀菌的产物之外，内地的公司大部门照样处于研发阶段，现在我帮人人先容各家企业的UVC-LED手艺水平，我们一样平常使用电光转换效率来评价。

　　日机装NIKKISO最近宣布的280nm波长UVC-LED的输出功率为140mW，使用电流为350mA，最终折算的电光转换效率约为2.5%左右，为国际领先水平。Crystal IS 的275nm波长LED，其输出功率为67mW，其光电转换效率为1.3%。LG Innotek的278nm LED，350mA下最大输出功率为60mW，其效率约在1.6%。台湾代表企业有光鋐科技，其280nm LED 40mA时输出功率为6mW左右，其效率约为1.5%。海内厂商青岛杰生的官网显示，其275-285nm LED，40mA下输出功率为1.5-4.0mW，光电转换效率为0.3-0.8%。

　　现在所有的紫外光源总产值中，汞灯照样占有主导职位，然则紫外LED现在也正在迎头遇上，预计在三年后，所有紫外光源的总产值占比将会逾越汞灯。

图十一海内UV-LED产业链漫衍图
(部门泉源质料深一度)

　　固然，这要归功与UV LED的手艺在海内已经有了相当显著的突破，图十一是内地UV-LED产业链示意图，由于外延芯片与封装手艺的门槛，具有差异化产物导向的公司例如具有硅衬底手艺的晶能光电与巨无霸公司三安光电和开发晶科技主导着UVA的市场，强制台湾的光鋐晶电联胜，韩国的LG首尔半导体与日本的日亚化学和日机装等公司转向难度更高的UVC市场，固然不管是海内与外洋，都有几家UV手艺对照突出的小公司，它们是手艺导向的垂直整合公司，做出整个UVA固化模组或灯具，直接面向市场，例如我的同伙华中科大陈长清教授的优炜星科技与李允立博士在台湾建立的独角兽公司錼创科技，这两家公司掌握垂直整合的手艺能力，开发终端的UV固化产物，人人不要以为錼创科技只有Micro LED，UVLED与蓝光激光模组也是他们的主要产物。

图十二天下UV LED制造商漫衍图

　　跟二十年前蓝光LED一样，日本的UVC-LED又是处于绝对领先的职位，然则价钱又是一道异常高的门槛，中国大陆的UVA-LED已经有所突破，现在也有几家内地巨头最先瞄准UVC-LED的市场，也许海内UVC-LED手艺突破的时刻，就是它可以取代汞灯，造福宽大人类的时刻!

　　我一直期待这一天的到来!

图十三现在人类的现状

国星光电获发明专利证书 子公司通过高新技术企业重新认定

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