紫外線中波長較短的深紫外線（xiàn）被（bèi）用於殺菌燈等（děng）多種領域。殺菌燈的光源以汞燈為主，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（qián）沿的是日本理化學研究（jiū）所平山量子光素子研究室的主任研（yán）究員平山（shān）秀樹。

藍色LED之（zhī）後是紫外LED

多年來（lái）一直被認為難以實（shí）現的藍色（sè）LED（發光二極管）的發明催（cuī）生了節（jiē）能長壽的照明器具和顯示器等（děng），大大改變（biàn）了世界。目前最新的前沿研究之一是（shì），能產生比藍色（sè）LED波長更（gèng）短的紫外線LED。

■圖1：人眼能看見（jiàn）的可見光範圍為380～780納米。紫（zǐ）外（wài）線（xiàn）的波長分為UV-A至（zhì）UV-C三個區（qū）域（yù），UV-B和（hé）UV-C的波長範圍被稱為“深紫外（wài）線（xiàn）”。265納米左右的深紫外線為DNA的吸收峰值，具有很強的殺菌效果。（nm：納米（mǐ））

在紫（zǐ）外線中，波長尤其短的（de）深紫（zǐ）外線具有（yǒu）高度殺菌（jun1）能力，有望用於工廠和淨水廠等（圖1）。目前使用的殺菌燈大（dà）多采（cǎi）用水銀，但隨著（zhe）2017年《關於水銀的水俁條（tiáo）約》的生效，國際社會開始致力於減少水銀的使用，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（shàng）市，但目前（qián）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（xìn）心地表示：“雖（suī）然開發競爭很激烈（liè），但我們（men）開發的深紫外LED實現了20.3％這一世（shì）界最高的發光效率。不過，要想實現普及，發光效（xiào）率還需要進一步提高，超（chāo）過作為殺菌燈使用的低壓汞燈，現在的目標是（shì）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（具有空穴）的p型半導體相接合形（xíng）成的（de）pn結。加載電壓後，電子與空（kōng）穴結合（hé）並發光（guāng），但根據半導體種類（lèi）的不同，光（guāng）的顏色（波長）和發光所需的電壓也不同。為開發能產生（shēng）所需波長的（de）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：“如果隻是能發出紫外區域的光的話，那還無法實用。因為還需要比（bǐ）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（huà）鋁镓（AlGaN）作為比（bǐ）較有前景的材料受（shòu）到期待，但（dàn）存在很（hěn）多課題。

能生成整齊晶體的新技術

LED通過使原子有序排列的晶體在基礎物質（zhì）（基板）上生長來形成pn結。半（bàn）導體基板使（shǐ）用廉價的藍寶石（Al2O3），但由於構成晶體的原子與原（yuán）子之間的距離（晶格常數）不同，當AlGaN晶體生長時會發生變形，出現稱為晶格缺陷的（de）瑕疵。沿著缺陷線形擴大的裂紋被稱（chēng）為晶體缺陷（xiàn），缺陷密度（穿透（tòu）位（wèi）錯密度）升高的話，發光效率就會降低。

藍色LED需要在基板上形成缺陷較少的氮化镓（GaN）晶體（tǐ）膜，實現這個膜的技術是獲得諾貝爾獎（jiǎng）的名城大學終身教授赤崎勇開發的。而深紫外LED是在基板上形（xíng）成氮化鋁（AlN）晶體膜，並在上麵生長AlGaN晶體（tǐ）。平山確立了在基板（bǎn）上高品質形成AlN膜（mó）來減少缺陷的方法。他回憶（yì）說：“這個方（fāng）法在提高發（fā）光效率方麵取得了突破性進展，超（chāo）越了競爭對手的美國研究團隊”。

AlN晶體利用有機金屬化（huà）學氣相（xiàng）沉積法（MOCVD）製作（zuò）。在約1400度（dù）的高溫下向藍寶石基板供應氣態材料，使之作為晶體生（shēng）長（zhǎng）。平山開發的方法首先在基板上生長作為內核的氮化AlN，並以脈（mò）衝狀吹入氨氣，使其橫向生長，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（dié）。通過反複這一晶（jīng）體生長過程，就可形成沒有裂（liè）紋的高品質AlN層（céng）（圖2）。平山表示：“要想製作出整齊的晶（jīng）體（tǐ），需要精細控製氣體的濃度（dù）、流量（liàng）和反應溫度等。在高溫下氣流（liú）容易紊亂，需（xū）要有（yǒu）豐富的經（jīng）驗，因此設備是半自製的，根據需要進行了（le）改良”。

■圖2：利用透射電子顯微鏡觀察發現，在AlN層生長的初始層，晶體（tǐ）的位錯密度（dù）較高（gāo），但隨著進一步生長（zhǎng），形成了整齊的晶（jīng）體。AlGaN層的位（wèi）錯密度較低。

通過在（zài）構造（zào）上下工夫改（gǎi）善發光效率

發光（guāng）效率與3個因素有關。第一是“內部量子（zǐ）效率”，第（dì）二是“電（diàn）子注入效率”，第三是“光（guāng）提取效率”。平山正在努力（lì）研究提（tí）高這三種效率。

內（nèi）部量子效率是表示隨（suí）著電流而產生的電（diàn）子與空穴對以多大比例發光的值，表示發光（guāng）層順利發光的（de）程度。通過使晶體整齊生長並減少缺陷，成功提（tí）高了內部量子效率。

電（diàn）子注入效（xiào）率是指注入的電（diàn）流中進入發光層（céng）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（cóng）p層側漏出的問題。

平山介紹說：“原因是p型半導體的空穴數量與n型半（bàn）導體的電子數量不平衡。由（yóu）於難以增加空穴，通過形（xíng）成一個電子阻擋層（céng）（多量子勢壘）來反射未結合而直接通過（guò）的電子（zǐ），有效進行了結合”（圖3）。由此，大（dà）幅提高了電子注入效率。

■圖3：為提高發光效率，利用多量子勢壘反射電子，使之全部在發光層重新結合，另外，通過使（shǐ）接觸層透明化，抑製光的（de）吸收，並利用高反射光子晶體進行反射（shè），提高了光提取效率。

目前存在的（de）課題是，發光區域產生（shēng）的光能以多大比例被提取到外部，也即光提（tí）取效（xiào）率。為避免產生（shēng）的光在器件結（jié）構內部被吸收，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（de）主要原因是，產生的深紫（zǐ）外線被接觸（chù）層吸收了。因此，通過在被接（jiē）觸層吸收之（zhī）前使之反（fǎn）射改變路徑，就可（kě）以防止吸收”。

接觸層（céng）內部采用具有高反射率（lǜ）的光子晶體，光提取側安裝了藍寶石透（tòu）鏡。另外，為利用光的散射效應減少藍寶石基板反（fǎn）射的（de）深紫外線，對基（jī）板進行了加工。通過這些（xiē）方法，將（jiāng）原來不到10％的光提（tí）取效率提高到了（le）5倍左右。將來為了剝離藍（lán）寶石（shí）基板提取光，預定設置氮化鋁柱狀結構（gòu），模擬結果顯示，光提取（qǔ）效率有望達到70％。

通過改善與發（fā）光效率有（yǒu）關的3個因（yīn）素，有望實現超過低壓汞燈的發光（guāng）效率。

夢想是應用（yòng）於激光光源

利用AlGaN開發的深紫外LED在應用範圍方麵也（yě）有優（yōu）勢。平山充滿期（qī）待地表示：“通過改變晶體的成分，可以調節深紫外（wài）線的波長，這也是一個特點，目前已經在222～351納米的帶（dài）域實現深（shēn）紫外LED。可（kě）以根據用（yòng）途（tú），自由產生所需（xū）波長的深（shēn）紫外線，比如治療特應性皮炎和銀屑病等使用的310納米左右的光等（děng）”（圖4）。

■圖（tú）4：產生270納米（mǐ）深紫外線的深紫外LED。2014年開始麵（miàn）向（xiàng）殺菌用途銷售。

這（zhè）是正處（chù）於開發過（guò）程中的技術，需要將（jiāng）輸出功率由（yóu）目前的幾十毫瓦左右提高到幾瓦，將來有望應用（yòng）於殺菌、淨水、空氣淨化、醫療、生物化學產業、樹脂硬化和加工、印刷及塗裝等各個領（lǐng）域（yù）。

平山展望未來表示（shì）：“將來打算開（kāi）發能（néng）實現更大輸出功（gōng）率的深紫外激光二極管（LD）。如果能（néng）實現，應該還可以分解容量超（chāo）過藍光（guāng）光盤的大容量存儲介質（zhì）和有害物質”。

深紫（zǐ）外LED的開發空（kōng）間（jiān）還非常大。

平（píng）山（shān）秀樹為深紫外LED的實用化開辟（pì）了道路，為此獲得（dé）第9屆半導（dǎo）體電子業績獎（赤崎勇獎），受到了高度評價。平山秀樹手裏拿著的是赤崎勇獎獎杯。