拓展深紫外LED的应用领域

深紫外LED在医疗保健领域的应用正在取得巨大进展，并且在UVC和远UVC的输出功率、效率和寿命方面均有所提高

备受关注的器件往往在许多方面都有所突破。除了性能上的提升，它们还经常在可靠性方面有所改进，并因其卓越的特性而受到更多应用领域的关注。深紫外LED当然也是如此。它在紫外线和远紫外方面的功率和寿命都在增加，在抗击医院病菌和空气传播病毒方面备受关注。

第三届国际紫外光发射技术和应用会议（也称为ICULTA 2023）的核心内容就是报告所有这些领域的进展情况。今年的会议于2023年4月23日至26日在德国柏林举行，吸引了来自27个国家的220多名与会者，由最近成立的先进生命紫外线协会（Advanced UV for Life e.V.）与柏林费迪南德-布劳恩研究所（FBH）共同组织，并与国际紫外线协会（IUVA）合作举办。

构建更好的器件

欧司朗（Osram）和日亚（Nichia）这两家重量级固态照明企业为推动紫外线领域的发展做出了贡献。在ICULTA 2023上，这两家芯片制造商的代表公布了他们在UVC-LED技术方面的最新研发成果，展示了260 nm至280 nm消毒波段的峰值功率。

项目经理Marc Hoffmann和产品管理总监christian Leirer代表艾迈斯欧司朗（ams Osram）发言。除了概述公司的进展之外，二人还对UVC LED的最新进展及其在工业和消费应用中的使用进行了精彩的概述。应用领域目前正从消费类应用转向工业应用，从而影响了对紫外发光二极管的要求。为了支持这一趋势，艾迈斯半导体欧司朗公司正在改进其UVC LED的性能。当前产品在250 mA驱动电流下可提供高达100 mW的输出功率，以L70（L70是输出功率下降到初始值的70%所需的时间）来衡量，使用寿命为10,000小时。据发言人介绍，艾迈斯欧司朗的第三代器件在WPE为10%的情况下可产生高达200 mW的功率。

左：负责组织ICULTA 2023的一些主要人员（从左到右）：Martin Strassburg（ams Osram，ICULTA 2023主席）；Neysha Lobo-Ploch（费迪南德-布劳恩研究所，ICULTA 2023项目主席）；Michael Kneissl（柏林工业大学和费迪南德-布劳恩研究所，面上生命科学的高级紫外线部门主席）和Sven Einfeldt（费迪南德-布劳恩研究所，ICULTA 2021主席）。照片来源：T. Rosenthal

该公司为自己设定了一个非常雄心勃勃的目标：到2026年，WPE将达到20%，L70的使用寿命将达到40,000小时，而定价水平仅为目前汞灯成本的十倍。这样的改进将是革命性的，将确保基于UVC-LED的系统的成本低于基于传统的汞灯系统。由于结合了UVC-LED和紫外线传感器，与现有技术相比，这种技术还能节省能源，并提高产品的安全性和可靠性。请注意，这个进度预测在我演示给出的范围内（见图1）。

代表日亚化学欧洲公司（Nichia Europe）的董事总经理Ulf Meiners对蓝光LED和UVCLED的WPE增长时间进行了有趣的比较，并指出这两种技术的发展似乎都处于类似的快节奏轨道上。Meiners没有给出更长远的展望，但预测2024年日亚化器件的WPE将达到7.5%，280 nm的输出功率将达到150 mW。

虽然许多人使用单独的性能参数对UVC-LED和汞灯进行直接比较，但Meiners认为这没有多大意义。他强调了研究UVC-LED特定特性的具体应用的重要性。例如，必须了解传统紫外线源无法实现的全新、更高效的系统设计。深紫外LED可以提高系统的光利用效率，其优点包括：点光源发射，可根据应用需要定制光源；降低能耗-UVC-LED易于调光，可快速开关，只在需要时以所需的功率水平启动。ams Osram高级应用关键专家Alexander Wilm强化了这一观点，他描述了几个用例场景，在这些案例中，尽管UVC-C LED的WPE较低，但其性能已经超过了传统的UVC-C灯管。

这两家重量级公司之间的一个有趣区别是其紫外线LED的峰值波长。Nichia坚持使用其280 nm LED技术平台，认为UVC-LED在稍长的波长下可靠性更高，而ams Osram则专注于接近杀菌效率峰值（约265 nm）的LED。

△ 图1. 250 nm-280 nm和225 nm-235 nm波段生产级紫外发光二极管和工程原型的WPE。资料来源：Michael Kneissl/TU Berlin

ICULTA 2023第二届项目主席、来自Heraeus Noblelight的Torsten Jenek为最佳学生海报颁奖。获奖者是德累斯顿工业大学的Tim Achenbach，其论文为：Novel UV dosimetry for surfaces based on the interplay of oxygen and room-temperature phosphorescence（由德累斯顿联邦理工学院的同事Linda Steinhäußer领奖，右一）。并列第二名的是来自KAUST的Iman Roqan（右二）（论文：Subquantum well effect on the carrier dynamics of Al-rich AlGaN/AlGaN multiple-quantum-well DUV LEC structure grown on AlN substrate）和来自charité-柏林医科大学的Silke Lohan（左一）（论文：Radical formation in skin at different wavelengths: from UVC to NIR）。照片：T. Rosenthal

竞争生产同类领先器件的供应商为数不多。其中包括Asahi Kasai的子公司Crystal IS。Crystal IS应用工程总监Rajul Randive向参加ICULTA的代表们介绍了这些器件的最新功能。Randive透露了该公司265 nm LED的创纪录性能水平，单芯片输出功率在500 mA时已高达160 mW，最大WPE达到6.5%。与大多数UVC-LED产品不同，Crystal IS制造的产品是在内部生产的低缺陷密度块状AlN衬底上生长的。块体AlN中的穿透位错密度比在蓝宝石上生长的UVC-LED异质结构中的穿透位错密度低许多数量级。该公司将卓越的器件寿命归因于较低的穿透位错水平。在350 mA的驱动电流下，Crystal IS器件的L70寿命已经达到25,000小时。

远紫外线：改善健康……

最近关于多重耐药细菌、真菌和病毒体内灭活的研究令人鼓舞，从而激发了人们对远紫外线辐射器的兴趣。在最近举行的ICULTA会议上，纽约哥伦比亚大学和柏林夏里特医科大学的研究人员介绍了这方面的工作。

哥伦比亚医学中心放射研究中心主任David Brenner表示，虽然Covid-19疫情的影响正在消退，但每年还有许多其他空气传播的病原体造成重大感染和死亡，包括流感和肺结核。

他的研究小组已经证明，在222 nm波长下，仅2 mJ cm^-2的剂量水平就能将严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型（SARS-Cov-2）和其他病原体的病毒载量降低几个数量级。

参加ICUTA 2023的几位专家强调，抗菌素耐药性是人类面临的最大健康挑战之一。仅在美国，每年就有280万人感染多重耐药细菌，其中35,000人的因此死亡。据估计，全球每年的死亡人数约为120万，而且还在不断上升。

深紫外LED行业完全有能力帮助拯救生命。柏林夏里特医科大学（charité–Berlin University of Medicine）实验皮肤生理学系主任Martina Meinke解释说，在对抗MRSA、MSSA和其他细菌时，发射约233 nm的远紫外线LED是一种有效且安全的工具。

Meinke的团队已经从志愿者的临床试验中取得了非常令人鼓舞的结果。

40 mJ cm^-2的典型剂量水平仅对人体皮肤造成轻微的DNA损伤，相当于不到0.1 MED（最小红斑剂量），而且在24小时后也没有DNA损伤的迹象。在这些非常有希望的结果的激励下，Meinke及其同事正在将研究范围扩大到其他有害病菌，包括念珠菌等真菌。他们还开始研究人体其他部位的治疗方法，特别是口腔和鼻腔粘膜。

改善医疗保健的其他工作包括创新的UVC光疗平台，用于净化慢性不愈合的伤口。光谱医疗技术公司（Spectrum Medical Technologies）的Mark Gerber参与了这一开创性项目。他解释说，当他们使用Asahi Kasai公司生产的235 nm UVC-LED发出80 mJ cm^-2的剂量水平时，人体皮肤上的MRSA减少了95%。Gerber声称，由于穿透深度稍深，235 nm发射器在生物膜灭活方面优于222 nm准分子灯，同时仍然不会造成明显的皮肤损伤。这项技术最初将用于疗养院、医院和医生办公室。

...并提高输出功率

今年ICULTA上的许多演讲都概述了提高深紫外发射器性能的方案。其中包括Crystal IS联合创始人、现任名古屋大学教授Leo Schowalter的演讲，他讨论了在低缺陷密度块状氮化铝衬底上的氮化铝异质结构的赝晶生长。Schowalter阐述了原生衬底的情况，指出尽管AlN和Al_1-xGa_xN之间存在显著的晶格失配，而且这种失配随着镓组分的增加而增加，但在高质量块状AlN衬底上生长的UVC LED的有源器件区域中的穿透位错密度远低于10⁶ cm^-2。较低的穿透位错密度有助于各种形式的光发射器，Schowalter认为这是远紫外LED性能大幅提高的原因，也是连续波激光二极管能在272纳米附近发光的原因。他还提到了230 nm以下LED效率的最新进展，目前EQE已高达0.5%。这项工作刚刚发表在《应用物理快报》上（参见H. Kobayashi et al. Appl. 122 101103 (2023))。

深紫外LED面临的挑战之一是向器件中注入空穴。费迪南德-布劳恩研究所采用的一种解决方法是采用分布式极化掺杂空穴注入层。在讨论具有此特性的器件时，发言人Tim Kolbe解释说，他们的LED异质结构的基础是MOCVD生长的直径为2英寸的蓝宝石氮化铝（AlN-on-sapphire）模板，采用双重生长和双重退火工艺。根据(002)和(102) X射线摇摆曲线的半高全宽值，研究小组估计这些模板中的穿透位错密度约为2.1×10⁸ cm^-2。在退火模板上，该团队生长了LED结构，该结构具有AlGaN多量子阱有源区、2 nm薄AlN电子阻挡层和AlGaN分布式极化掺杂空穴注入层，其中铝的摩尔分数梯度范围为100 %到82% 之间（见图2）。

与可见光LED相比，远紫外LED的光提取更具挑战性。费迪南德-布劳恩研究所的研究人员为此提供了一种新方法，他们正在使用microLED阵列来增强远UVC发射器的提取能力。参与这项工作的Jens Rass告诉与会代表，该团队采用精确定制的等离子蚀刻和金属化步骤，制造出直径小至1.5μm、间距短至2μm的二维紫外线发射器阵列（见图3）。由于发射光可以通过倾斜的台面侧壁重新定向，因此缩小发射器直径可以极大地提高光提取效率。通过仔细选择和优化台面直径、绝缘体材料和台面侧壁角度，Rass及其同事已经证明，远紫外线microLED的外量子效率创下了1.6%的记录，该LED采用了直径为1.5μm的微像素和用于侧壁钝化的SiO₂绝缘体。这些233 nm发射器在20 mA和50 mA电流下的输出功率分别为1.7 mW和3.5 mW。

△ 图2. 具有分布式极化掺杂(DPD) AlGaN空穴注入层的234 nm LED异质结构示意图。(来源：T. Kolbe et al. Appl. Phys. Lett. 122 191101 (2023)）

△ 图3：间距为2μm的UV microLED阵列的扫描电子显微图像。图片来源：德国柏林费迪南德-布劳恩研究所（FBH）。

资料来源：https://www.fbh-berlin.de/en/research/researchnews/arrays-of-ultraviolet-micro-leds-for-production-sensing-andcommunication

澳大利亚公司Silanna UV是远紫外LED领域的新晋企业之一。其MBE团队负责人William Lee向出席ICULTA 2023的与会者介绍了该公司在235 nm波长下发射的高功率远UVC LED的开发情况。Silanna UV的MBE工具能够生产直径达6英寸的外延片，并用于生长LED异质结构，该异质结构的硅掺杂电流扩展层和有源区域具有短周期超晶格。这些超晶格由交替的AlN和GaN层组成，扩展了横向电主导发射的光谱范围，并降低了施主的活化能。对于相当于Al_0.8Ga_0.2N的n型短周期超晶格，电阻率可低至0.015Ω.cm。利用这项创新，Silanna UV团队制造了235 nm LED。这些器件的驱动电流为200 mA，输出功率高达7 mW，WPE为0.4%。将驱动电流降至20 mA，可确保L70的使用寿命达到2,800小时。

今年ICULTA上报告的进展突显了UVC和远UVC LED以及基于其发射的医疗技术的巨大进步。在计划于柏林再次举行的2025年ICULTA大会上，肯定会有更多的突破性进展。