LED是发光二极管(light-emitting diode)的简称。自上世纪90年代氮化镓(GaN)基蓝光LED发明以来，其技术和应用不断进步，形成了规模宏大的半导体照明产业。在取得累累硕果和进展的同时，这一领域的竞争也日趋激烈，曾经的高技术、高附加值行业已变为“近身肉搏”式的“红海”。近年来，更短波长的GaN基紫外(UV,ultraviolet)LED这一“蓝海”逐渐吸引了业界越来越多的目光，大有成“风口”之势。

　　紫外LED的“用武之地”

　　紫外LED之所以这么受关注，首先源于紫外光非常有用。说到紫外光，大家并不陌生，紫外线与我们的生活息息相关。天气预报中有紫外线指数，女士的护肤品常提及防紫外的概念，还有防紫外太阳伞等。这些都是在防紫外线，好像唯恐避之不及，其实并非如此，人们的生活非常需要甚至离不开紫外线。举个简单的例子，人们需要时不时晒太阳，以促进钙质的吸收，这正是太阳光中的紫外线在发挥作用。

　　谈到紫外线的用途，值得提及紫外的波长划分，因其“用武之地”与其波长紧密相关。通常，320～400nm之间称为长波紫外或UVA；280～320nm为中波紫外或UVB；200～280nm为短波紫外或UVC。其中波长UVC波段又称为“日盲”波段，由于大气中臭氧的强烈吸收，在近地太阳光谱中几乎不含有该波段紫外光。

　　随着发光波长的变化，紫外LED的应用可以涵盖聚合物固化、杀菌消毒、生化探测、非视距通讯等许多领域。

　　对于UVA波段，目前最大的市场在于紫外光固化。光固化主要使用波长365～400nm之间的紫外光。紫外光固化在日常生活和工业生产中应用广泛，具有光敏特性的油墨、颜料、粘合剂、涂层等材料，在紫外光照射下的聚合并硬化，从而打印出多彩的海报，或形成家具的油漆保护层等。其中，紫外LED饰面板行业已成为一大热点，最大的优势是可制作出零甲醛的环保板材，具有节能90%、产量大、耐硬币刮擦、综合效益经济等优点。浅紫外光的另一项常见的用途是防伪检测，鉴别钞票的真伪。总体上，目前紫外LED市场应用中，UVA(365～400nm)占有高达90%的市场份额。

　　更短波长的UVB和UVC紫外光则可以在健康领域大有作为。深紫外光源通过破坏微生物的DNA和RNA阻止其繁殖，可以实现高效快速的广谱杀菌效果，从而对水、空气和物体表面进行杀菌消毒。数据显示，仅以30mW/cm²的UVC紫外辐照强度，一秒钟即可对绝大部分细菌实现近乎100%的杀灭，效果非常显著，可广泛应用于医疗卫生领域。在个人健康和家庭卫生领域，紫外光可用于水杯碗筷消毒、空气净化除菌、杀灭螨虫、鞋袜杀菌除臭、婴儿奶瓶消毒等，用武之地简直不可胜数。UVB波段特定波长的紫外线可为银屑病、白癜风等皮肤病和一些难治的疾病提供优良解决方案。在医疗应用中，通过精准控制紫外光的波长和脉冲时间，可有效破坏、杀灭病变细胞，同时将副作用降低到极小乃至可以忽略的程度。

　　深紫外光源还可以在安全通讯中大展身手。在特定的环境下，光通讯需要光以非直线形式传播，又出于安全的考虑而希望通讯限制在短距离，根据瑞利散射原理，波长越短散射越强，另外一方面，波长越短在空气中被吸收越强，基于这些要求，UVC波段紫外LED光源可以作为保密非视距光通讯的理想媒介。

　　实际上，深紫外光源的“用武之地”不止于上述这些，许多业界人士都认识到，紫外光源的应用可以有更大的想象空间和产业价值，而之所以未能被揭示，一定程度上受限于目前紫外光源的产业和技术现状。目前生产和应用量最大的紫外光源是汞灯，这种光源最大的优势是技术成熟、价格低廉，可以说“价格便宜量又足”，但缺陷也很明显——汞污染问题。

　　相比于汞灯，紫外LED作为是一种新型的紫外光源，有着低功耗、低电压、无汞污染、轻便灵活、波长易调、切换迅速等众多优点。其中无汞这一优势在当今国内外日益重视绿色环保的发展需求下尤为重要，代表未来紫外光源的发展趋势。也因此，紫外LED这些年来吸引了越来越多研究机构和产业界的重视。

　　紫外LED的技术现状

　　尽管紫外LED代表着未来的发展方向，但目前应用普及率还比较低，这与目前紫外LED的技术现状密切相关。以氮化镓(GaN)为代表的三族氮化物半导体材料，是当今备受瞩目的第三代半导体的核心材料，包括了氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)及其合金材料，通过调节其合金组分，可以实现从200nm到400nm光谱范围内的发光，覆盖了从UVA到UVC的宽光谱范围，因而成为制备紫外LED的理想半导体材料。根据GaN材料的带边发光波长(～360nm)可以对紫外LED进行技术划分。发光波长长于360nm的紫外(方便起见，简称“浅紫外”)LED有源区通常采用类似于蓝光LED的GaN/InGaN材料体系，相关研究早在上个世纪90年代初期就已开展。目前，发光波长365～400nm之间的紫外LED在国内外已有较为成熟的产品，外量子效率(EQE,external quantum efficiency)可以超过40%，与GaN蓝光LED的量子效率可比拟。而对于发光波长短于360nm的紫外LED，则需要含有Al组分的氮化物半导体——AlGaN或AlInGaN材料，波长越短，需要的Al组分越高，而相应材料及器件制备的技术难度也越大。2006年日本报导了基于纯AlN外延材料的深紫外LED，发光波长短至210nm，这是迄今为止人们在氮化物LED领域获得的最短发光波长，但是其外量子效率仅有10^-6%，技术难度可见一斑。对于发光波长在300nm以下的深紫外(DUV,deep ultraviolet)LED，所需要的Al组分超过40%。制备高质量高Al组分的AlGaN材料，目前对于国际研究机构尚且是有挑战的难题，产业化推广更是不易。材料制备是深紫外LED的基础，也是核心难点。这是目前深紫外LED从研究到产业所共同面临的高技术门槛。

　　目前国际上在紫外LED领域技术水平最为领先的机构主要集中在美国和日本，如美国的南卡罗来纳州立大学、SETi公司、北卡罗莱纳州立大学、CrystalIS公司；日本的名城大学、名古屋大学、理化研究所、NTT基础研究实验室、Nikisso公司；此外相关的还有柏林工业大学，韩国首尔半导体与LGInnotek等。国内研究机构以中科院半导体研究所为代表，长期引领国内该领域的技术发展，并与北京大学、厦门大学、西安电子科技大学通过合作研究，共同推动了自主技术持续进步。在国内紫外LED的产业化方面，圆融光电(青岛杰生)公司较早推出了深紫外产品，以鸿利智汇、国星光电为代表的中游封装公司也相继推出了各自的深紫外LED产品。

　　下图通过深紫外LED的发光波长与外量子效率的角度，总结了主要研究机构和公司在深紫外LED领域报导的代表性结果。

　　可以看出，深紫外LED的外量子效率基本不超过10%，大部分量子效率在5%以下。实际上，目前可购买的UVB、UVC波段LED产品的量子效率往往只有1%～2%。这与浅紫外和蓝光LED的水准显然相去甚远。其根本原因正是在于上文所提到的AlGaN材料。

　　图3所示为氮化物深紫外LED的典型外延结构示意图。深紫外LED的n型、p型和有源区均为AlGaN材料。由于AlN单晶衬底价格极其昂贵(蓝宝石衬底的近千倍)，目前深紫外LED主要基于蓝宝石衬底制备，蓝宝石衬底和AlN/AlGaN外延材料之间存在很大的晶格失配和热失配，导致AlGaN材料中位错密度很容易达到1010/cm2乃至更高。在MOCVD外延中，Al对应的有机源非常活泼，易于预反应，进一步增加了材料外延的难度。材料中的高密度缺陷是限制目前深紫外LED性能的核心因素。深紫外LED大都外延于平面蓝宝石衬底(FSS)上，加上氮化物材料的高折射率，大量的光限制在LED内部并被吸收掉，大概仅有10%的光能够出射，光提取效率非常低。这些因素限制了深紫外LED的量子效率。

　　推进紫外LED加速发展

　　针对AlN/AlGaN材料的外延生长，过去十多年中开发出很多外延技术，如脉冲外延、迁移增强外延、调制外延等，材料质量不断提升。中科院半导体所率先提出并证实了纳米图形衬底(NPSS)用于AlN材料外延的技术，实现了在NPSS衬底上外延出高质量AlN材料，并制备出高效深紫外LED器件，为深紫外LED的材料制备和光提取难题同时提供了解决方案。通过借鉴结合蓝光LED中常用的表面粗化和反射镜技术，则可以进一步提升深紫外LED的量子效率。因此，深紫外LED的效率存在很大的提升空间，有望未来5～10年紫外LED器件效率达到20%乃至更高，技术性能将不再会是应用需求的瓶颈。

　　尽管目前深紫外LED的效率和功率还不是很理想，但可以初步应用于不少健康领域，因此近年来不断涌现出采用深紫外LED的消毒牙刷、水杯等各种新型应用产品。如蓝光LED带来了各种创意的照明产品，紫外LED基于其半导体器件的固有优势，也将拓展更多的创新应用空间。随着紫外LED产品性能的不断提升，其适用的领域必将不断扩展。根据法国Yole公司的分析报告，过去几年中UVLED的市场年增长率平均接近30%，在接下来的几年中将加速增长。随着在所有应用中逐步提高的普及率，UVALED的市场将从2015年的1亿美金增长到2021年的远超3亿美金；随着UVCLED技术的进步和价格的降低，紫外线消毒/净化市场将获得显著增长，UVCLED市场有望从2015年的700万美元增长到2021年的6亿美元。这些数据反映的总体趋势明确——紫外LED是氮化物LED领域的“蓝海”，即将迎来爆发的机会。可以说，这一趋势得到了从科技管理部门、研究人员乃至产业界的一致认同。因此，2016年启动的国家重点研发计划，安排并大力支持了“第三代半导体固态紫外光源材料及器件关键技术”项目，这一项目由中国科学院半导体研究所牵头，组织联合了北京大学、厦门大学、西安电子科技大学等本领域的优势研究机构，还联合了三安光电、易美芯光、鸿利光电等LED领域的重量级企业，不仅在研究技术方面争取紫外LED领域的制高点，同时积极布局推进关键技术的产业化，提升国际竞争力，推进我国氮化物LED及第三代半导体产业的加速、健康、持久的发展。

　　作者单位：中国科学院半导体研究所