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PART TWO

5-8月份UV LED产业研究进展

01

六月份：全球首次针对226nm UVC LED杀菌率及安全性测试结果公布

外媒消息显示，日本旭化成（Asahi Kasei）与日本奈良县立医科大学（Nara Medical University）合作研究波长为226nm的UVC LED对新冠病毒的灭活效果及其对动物皮肤细胞的影响，并于近日公布了研究结果。研究结果表明，226nm UVC LED能够快速灭活新冠病毒，并且相对于270nm UVC LED来说，226nm UVC LED对动物皮肤细胞的影响微乎其微。值得注意的是，这是全球首次针对226nm波长UVC LED展开的研究，对于UVC LED产业而言也是一个取得进步的好消息，未来更多的技术研究和实验测试将备受关注。

02

六月份：光效提高101.6%！科研人员利用多元合金超晶格研制紫外LED

不同于成熟的蓝光LED，由于紫外LED的核心材料具有更低的In含量和更高的Al含量，这使得外延层缺陷密度高、p-AlGaN材料中空穴浓度低、极化效应强、载流子输运不平衡等问题极为突出。因此，紫外LED的发光效率仍远低于成熟的蓝光LED。当发光波长低于370nm时，紫外LED更是面临着发光效率骤降的难题，成为阻碍其高端应用的最大障碍。

针对以上问题，广东省科学院半导体研究所先进材料平台从材料生长和器件设计两方面对紫外LED展开了较系统深入的技术研发。首先，采用MOCVD精细生长模式调控技术成功制备出高质量AlGaN材料和高内量子效率的AlGaN量子阱；同时，研究人员采用极化场调控技术和能带工程，将多元合金p-AlInGaN/AlGaN短周期超晶格材料（SPSL）引入到AlGaN基紫外LED的电子阻挡层（EBL）结构中，成功研制出高内量子效率的紫外LED器件。结果表明SPSL-EBL能改善紫外LED器件的载流子传输特性，降低器件的开启电压，使得发光波长在368 nm的紫外LED器件发光效率比传统结构提高了101.6%，此项研究将会为高效率的全固态紫外光源的研发开辟新路径。以上部分工作结果发表于国际权威期刊《Journal of Materials Chemistry C》。

03

六月份：UVB LED新进展！首尔Violeds成功促进维D3合成

首尔伟傲世宣称通过与美国家畜养殖设施专业公司FarrPro共同开发和试验，将旗下“Violeds”技术与照明相结合用于室内家畜养殖设施中，令在没有接受阳光照射的仔猪中能够促进维生素D3生成。据悉，维生素D对动物主要器官的功能至关重要，受限于室内环境，动物因没法获得充分阳光进而无法补充维生素D，室内动物很难补充维生素D。首尔伟傲世利用“Violeds”技术与照明相结合，测量维生素浓度。结果证实对维生素D3合成有积极影响，对动物没有晒伤或其他副作用，相关研究成果已经发表在《动物杂志》上。该产品计划于2022年1月由Papro以“VitaLight”的名义发布。首尔伟傲世紫外线事业部负责人表示：“这种方案不仅适用于没有阳光照射的室内养殖场，也适用于动物园和水族馆等各种设施。”

04

六月份：突破效率和寿命难题！台交大导入ALD设备可降低生产成本

UVC LED目前仍存在光电转换效率低与寿命较低等问题，是此技术发展及应用推广过程中必须去面对和解决的难题。其中芯片可以说是UVC LED产业链中的核心，若芯片性能不好，无论封装端如何提升结构、技术，都无法从根本上解决问题。

中国台湾阳明交通大学（以下简称“阳明交大”）郭浩中教授团队使用芬兰领先供应商Picosun ALD (Atomic Deposition Layer)设备沉积出钝化层和阻隔膜，使UVC LED的使用寿命延长、可靠性增强，ALD钝化保护技术可以改善LED昂贵的封装程序进而降低生产成本。郭浩中教授受访时提到：“本研究团队在LED的研究上已经着墨多年，近几年由于UVC LED与Micro LED的崛起，为了有效维持元件本身的光电特性，我们与Picosun密切合作并导入ALD钝化保护技术。尤其UVC LED本身在外延过程中会产生许多晶格缺陷，ALD技术的应用就显得相当重要。”

UVC LED中的氮化铝镓外延层存在晶格不匹配的特性，导致可靠性较低。为了获得最大的光输出功率和较长的工作寿命，LED芯片需要表面钝化以消除由表面缺陷所引起的寄生电流。UVC LED本身具有高铝含量的特性，容易受到空气中的水氧影响，进而产生漏电流，降低元件效率。阳明交大郭浩中教授研究团队导入原子层钝化沉积技术(ALD)，沉积Al2O3做为钝化保护绝缘层，再镀上金属电极与后段芯片制程。Al2O3提供极高的绝缘特性，有效减少电流在传输时芯片表面的漏电流，且使用ALD所沉积之Al2O3有非常高的深宽比(high aspect ratio)，使其可在垂直侧壁的孔洞上均匀的镀上Al2O3。

如图5(a)(b)为披覆在UVC LED表面的钝化保护层(包含使用ALD沉积的Al2O3与使用PECVD沉积的SiO2)；若单纯使用一般CVD机台沉积钝化材料如SiO2，容易导致孔洞底部尚未均匀镀膜，开口已经被绝缘材料封闭的现象。

图5 (a)(b)高/低倍率条件下UVC LED表面的钝化保护层表面形貌

图6(a)比较有无进行ALD钝化保护技术时的元件漏电流特性，可以发现有进行ALD钝化保护技术的元件所产生的漏电流密度约为10–6A/cm2，远低于没有进行ALD钝化保护技术的5х10–3A/cm2，表示在发光元件元件应用上，ALD钝化保护技术依旧提供优异的钝化保护层技术，使得表面缺陷得以持续抑制，增加辐射复合效率。此外，ALD钝化保护技术抑制漏电流的同时也提供元件良好的可靠度，当元件尺寸缩小时，也代表侧壁缺陷的比例对于整体元件而言已经不可被忽视，此时的ALD钝化保护技术就显得非常重要，其能维持元件本身的特性。图6(b)显示在环境(温度/湿度)为(25℃/60%)的可靠度测试条件下进行的老化测试。可以观察出经过500小时的可靠度测试下，有进行ALD钝化保护技术的UVC LED之光输出功率仅会下降10%，而没有进行ALD钝化保护技术的元件则下降超过40%，代表ALD可以提供更好的成膜品质，减少侧壁缺陷带来的影响。相关研究成果已经刊登至期刊《Photonics2021,8,196》。

图6 (a)比较有无进行ALD钝化保护技术时的元件漏电流特性；

(b)UVC LED在环境(温度/湿度)为(25℃/60%)的可靠度测试条件下时进行的元件可靠度测试

05

七月份：日本三重大学研究人员通过热循环退火提高蓝宝石上氮化铝模板质量

日本三重大学一项重要实验结果出炉，研究人员通过热循环退火提高了蓝宝石上氮化铝模板的质量。据了解，他们的工艺降低了AlN薄膜中的位错密度，有助于增加深紫外LED的前景。在低成本，高质量的衬底上制造该器件有望提高其输出功率，并推动其在各种应用中的部署，包括医疗，水净化和日常通信。早在2016年，三重大学的研究小组表示可以通过一种工艺将穿线位错密度降低1-2个数量级，该工艺包括通过溅射生产一对蓝宝石上AlN衬底，然后将生产表面面对面放置并在氮气下退火。根据该团队的说法，当仅在1700℃下对AlN薄膜进行退火时，微弱的拉伸应变就会松弛，几乎没有应变。通过在1600°C和1700°C之间交替变化温度，这允许较低的温度引起压缩应力，从而加速了位错的运动并最终增加了湮灭和合并的可能性。使用这些条件，但是将AlN膜厚度增加到800nm，导致穿线位错密度进一步降低到8x107cm-2。该团队已经在这种高质量的模板上生产出了深紫外LED，并与在MOCVD形成的变体上进行了比较。与对照组相比，低穿线位错密度模板中的多量子阱的黑点密度降低了近一个数量级。使用高质量模板的器件的输出功率要高出80％。通过优化生长条件，衬底切角和空穴注入层，可以预期有进一步改进。

06

七月份：武汉大学研究人员对外宣称，交替的V/III比超晶格在蓝宝石衬底上可生长高质量的AlN薄膜

基于AlGaN的深紫外(DUV) LED在杀菌消毒方面受到重点关注，但由于缺乏经济且大面积的AlN，目前AlN/蓝宝石是构建基于AlGaN的DUV LED的最优选模板。然而，AlN和蓝宝石之间的晶格失配导致蓝宝石上的AlN外延缺陷密度高，这也一直是基于AlGaN的DUV LED的主要性能瓶颈。

7月7日，武汉大学的研究人员对外宣称，交替的V/III比超晶格在蓝宝石衬底上可生长高质量的AlN薄膜。武汉大学的研究人员通过引入交替的V/III比AlN超晶格积木，验证了在相对较低的温度（1180摄氏度）下，在蓝宝石上进行高质量AlN外延的可行性，也证明了交替的V/III比AlN超晶格通过改变位错倾斜行为在应变松弛和位错减少中起着关键作用。倾斜的螺纹位错可以提供有效的错配位错段来松弛应变，从而消除在AlN生长过程中晶片破裂的风险。

图7 （a）交替V/III比AlN-SL的AlN外延结构示意图

（b）AlN生长过程中气体流量变化的示意图

07

七月份：Nitride成功开发超微缩UV LED芯片一片4寸可切1400万颗

据日媒报道，Nitride成功开发出超微缩UV LED芯片的大规模生产技术，芯片的尺寸为0.012mm×0.024mm，与一粒面粉的大小相近。在直径为4英寸的晶圆上可切割出1400万颗芯片，数量是传统芯片的四倍。据了解，通过与横滨市精密设备制造商V Technology合作，采用V Technology的转录传输技术，将芯片之间的安装距离减少到0.005mm（长宽距离），达到传统芯片的一半以下。该技术有望提高图像质量并降低制造成本，预计将应用于AR显示屏及智能眼镜等领域。

08

八月份：中国科学技术大学团队制造出基于AlGaN/GaN HEMT配置的UVPT

由孙海定和龙世兵领导的中国科学技术大学（USTC）团队展示了一个基于AlGaN/GaN HEMT配置的UVPT，使用10/10nm Ni/Au半透明栅极，如下图8所示。

图8 USTC团队基于AlGaN/GaN HEMT配置的UVPT

当器件在关断状态偏置时，可以实现20 pA的低暗电流。更重要的是，可以获得优异的光电检测表现，其特征是在265nm UV照射下的峰值R值为3.6×107A/W和在365nm UV照射下为1.0×106A/W。这两个值是在关断状态条件下、相同的检测波长下，已报道的UV PD中创记录的高响应率。对UVPT的VGS依赖性光反应的进一步研究表明，由于吸收性AlGaN阻挡层中的电场增加，更负的VGS将显着减少265nm检测的上升/衰减时间。相比之下，VGS对365nm检测的开关过程几乎没有影响，因为GaN通道具有较大的吸收深度并且器件在光电导模式下工作。

图9 (a)265nm和(b)365nm UV照射下，不同入射功率下的UVPT传输曲线

(c)和(d)显示了在不同UV强度下提取的R和PDCR

在图9(a)265nm和(b)365nm UV照射下，不同入射功率下的UVPT传输曲线。图9(c)和(d)显示了在不同UV强度下提取的R和PDCR。此外，他们观察到器件在265nm和365nm光照下的上升时间(tr)和衰减时间(td)之间存在明显差异，这可以归因于所构建的基于AlGaN/GaN的UVPT结构在器件中有不同吸收机制的独特器件工作原理。最后，他们提到可以通过优化器件结构、生长技术、ICP蚀刻、蚀刻后处理和栅极金属沉积方案来进一步改进器件。AlGaN/GaN UVPT的这种卓越的光电探测行为提供了一种可行的器件架构，以促进未来基于宽带隙半导体的高性能UV PD的开发。