紫外線中波長較短的（de）深紫（zǐ）外線被用於（yú）殺（shā）菌燈等多種領域。殺菌燈的光源以汞燈為主（zhǔ），不（bú）過目前正在開發不使用汞即可（kě）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所平（píng）山（shān）量子光素子研究室的主任研究員平山秀樹。

藍色LED之（zhī）後是紫外LED

多年來一直被認為難以實現的藍色LED（發（fā）光二極管）的發明催生了節能長壽（shòu）的照明器具和顯示器等，大大改變了世界（jiè）。目前最新（xīn）的前沿研究之一是，能產生比（bǐ）藍色LED波長（zhǎng）更短的紫外線LED。

■圖（tú）1：人眼能看見的（de）可見光範（fàn）圍為380～780納米。紫外線的波長分為UV-A至UV-C三個區域，UV-B和UV-C的波長範圍被稱（chēng）為“深紫外線（xiàn）”。265納米左右的深紫外線為DNA的吸收峰值（zhí），具有很強的殺菌效果。（nm：納米）

在紫（zǐ）外線中，波長尤其（qí）短的深紫外線具（jù）有高度（dù）殺菌能力，有望用於工廠和淨水廠等（圖1）。目前使用的殺菌（jun1）燈大多采用水銀，但隨（suí）著2017年《關（guān）於水銀的水俁條約》的生（shēng）效，國際（jì）社會（huì）開始致力於減少水銀的使用（yòng），在此背景下，深紫外LED便受到期待。使用（yòng）深（shēn）紫外LED的產品已經開始上市，但（dàn）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：“雖然開發競爭很激（jī）烈，但我們（men）開發的（de）深紫外LED實現了20.3％這一世界最高（gāo）的發光（guāng）效率。不（bú）過，要想實現普及，發光效率還需要進一步提高，超過作為殺菌燈使用的低壓汞燈，現在（zài）的目標是超過30％”。

LED的基（jī）本構造（zào）是電子較多（duō）的n型（xíng）半導體與電子不足（具有空穴）的p型半（bàn）導體相（xiàng）接合形成（chéng）的pn結。加載電壓後，電子與空穴（xué）結合並發光，但根據半導體（tǐ）種類的不同，光的顏色（波長）和發光所需的電壓也不同。為（wéi）開（kāi）發能產生所需波長（zhǎng）的光的半（bàn）導體，大量研究人員探索了各種（zhǒng）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（yòng）。因為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（huà）鋁镓（jiā）（AlGaN）作為比較（jiào）有前景的材料受到（dào）期待，但存在很多課題。

能生成整（zhěng）齊晶體的新技術

LED通過（guò）使原子有序排（pái）列的晶體在基礎物質（zhì）（基板）上（shàng）生長來形成pn結。半導體基板使用廉價的藍（lán）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（dāng）AlGaN晶體（tǐ）生長時會（huì）發生變形，出現稱為晶格缺陷的瑕疵。沿著缺陷線形擴大的裂紋被稱為晶體（tǐ）缺陷，缺陷密度（穿透位錯密度）升高的話，發光效率就會降低（dī）。

藍色LED需（xū）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（jì）術是獲得（dé）諾貝（bèi）爾獎的名城大學終身教授赤崎勇開（kāi）發的。而深紫外LED是在基板上形成氮（dàn）化鋁（AlN）晶體膜，並在上麵生長AlGaN晶體。平山確立了在基板上高品質形成AlN膜來減少缺陷（xiàn）的方法（fǎ）。他回憶說：“這個方法在提高發光效（xiào）率方麵取得了突破性進展，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（xué）氣相沉積法（MOCVD）製作（zuò）。在約1400度的高溫下向藍寶石基板供應（yīng）氣態材料，使之作為晶體生長。平山開發（fā）的方法首先在基板上生長作為內核的氮化AlN，並以脈衝狀吹入氨氣，使其橫向生長，以填充核與核之間的空隙。然（rán）後連續供應氣（qì）體，使之縱向堆疊。通過反複這一晶體生（shēng）長過程，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，需要精細控製氣體的濃度、流（liú）量和反應溫度等。在高溫下氣流容易紊亂，需要有豐富的（de）經驗，因此設備是半自製的，根據需（xū）要進行了改良”。

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

通過在構造上下工夫改善發光效率

發光（guāng）效率與3個因素有關。第（dì）一是“內部（bù）量子效率”，第（dì）二是“電子注入效率”，第三是“光提取效率”。平（píng）山正在努力研究提高（gāo）這三種效率。

內部量子效率是表示隨著電流而產生（shēng）的電子與空穴對以多大比例發光（guāng）的值，表示發光層順利發光的程度。通過使（shǐ）晶體整（zhěng）齊生長並減少缺陷，成（chéng）功提高了內部量子效率。

電子注入效率是指注入的電流中（zhōng）進入發光層的電子的比例，以往的深紫外LED存在注（zhù）入的電子（zǐ）沒有進入發光層，而是從p層側漏出的問題。

平山介紹說（shuō）：“原因是p型半導體的空穴數量與n型（xíng）半導（dǎo）體的電子數量不平衡。由於難以增加空穴，通過（guò）形成一個電子阻（zǔ）擋層（多量子勢壘）來反射未結合而直接通過的電子，有效進行了（le）結合（hé）”（圖3）。由此，大幅提高了電子注入效率。

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

目前存在的課題是，發光區域產生的光能以多（duō）大比例被提取到（dào）外部，也即光提取效率。為避免產生的光在器件結構內部被吸收，目前正（zhèng）研究將光順利提取到外部的方法。平山表示，這雖然是（shì）個難題（tí），但已經逐漸找到（dào）解決的突破口。

平山說：“光提取效率低的（de）主要原因是，產生的深紫外（wài）線被（bèi）接觸層吸（xī）收（shōu）了。因此，通過在被接觸層吸收之前使之反射改變（biàn）路徑，就可以防止吸收（shōu）”。

接觸層內部采用具（jù）有高反射率的光子晶體（tǐ），光提取側安裝了藍（lán）寶（bǎo）石透鏡。另外，為利用（yòng）光的散射（shè）效應減少藍寶石基板反射的深（shēn）紫外線，對基板進行了加工。通過這些方法（fǎ），將（jiāng）原來不到10％的光提取效率提高到了5倍左右。將來為了剝離藍寶石基板提取光，預定（dìng）設置氮化鋁（lǚ）柱狀（zhuàng）結構，模擬結果顯示，光提取效率有望達到70％。

通過改善與發光效率有關（guān）的3個（gè）因素，有望實現超過低壓汞燈的發光效率。

夢想是應用於激光光源

利用AlGaN開發的深紫外（wài）LED在（zài）應用範圍方麵也有優勢。平山充滿期待地表示：“通過改變晶體的成分（fèn），可以調節深紫（zǐ）外線的波長，這也是一（yī）個特點，目前已經在222～351納米的帶域（yù）實現深紫外LED。可以根據用途，自由產生所需波長的深紫外（wài）線，比如治療特應性皮（pí）炎和銀屑病等使用的310納米左右的（de）光（guāng）等”（圖（tú）4）。

■圖4：產生270納米深紫外線（xiàn）的深紫外LED。2014年開始麵向（xiàng）殺菌用（yòng）途銷售。

這是正處（chù）於（yú）開發過程中的技術，需要將輸出功率由目（mù）前的幾十毫瓦左右提高到幾瓦，將來有望應用於（yú）殺菌（jun1）、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（gè）領域。

平山展望未來表示：“將來打算開發能實現更大（dà）輸出功率（lǜ）的深紫外激光二極管（LD）。如果能實現，應該還可（kě）以分解容（róng）量超過藍（lán）光光盤的大容量存儲（chǔ）介質和有害（hài）物（wù）質”。

深紫（zǐ）外LED的開發空間（jiān）還非常大（dà）。

平山秀樹為深紫（zǐ）外LED的實用化開辟了道（dào）路，為此獲得第9屆半導體電子業績獎（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。