紫外線中波長較短的深紫（zǐ）外線被用於殺（shā）菌燈等多種（zhǒng）領域。殺菌燈的光源以汞燈為主，不過目前正在（zài）開發不使用汞即（jí）可有效產生深紫外線的LED。走在該領域最前沿的是日本理化學（xué）研（yán）究所（suǒ）平山量子光素子研究室的主（zhǔ）任研究員平山秀樹（shù）。

藍色LED之後是紫外LED

多年來（lái）一直被認為難以實現的藍色LED（發光二極管）的發明催生了節能長壽的照明器（qì）具和顯示器等，大大改變（biàn）了世界。目前最新的前沿（yán）研究之一是，能產生比藍色LED波長更短的紫（zǐ）外線LED。

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

在紫外線（xiàn）中，波長尤其短（duǎn）的深紫外線具有高度殺（shā）菌能力，有望（wàng）用（yòng）於工廠和淨水（shuǐ）廠等（圖1）。目前使用的（de）殺菌燈大多采用水銀，但隨著2017年《關於水銀的水俁（yǔ）條約》的生（shēng）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（biǎo）示：“雖（suī）然開發（fā）競爭很激烈，但（dàn）我們開發（fā）的深紫外LED實（shí）現了20.3％這一世界最高的發光效率。不過，要想實現普及，發光（guāng）效率（lǜ）還（hái）需要進一步提高，超過作（zuò）為殺菌燈使用的低壓汞燈，現在的（de）目標是超（chāo）過30％”。

LED的基本（běn）構（gòu）造是（shì）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（tǐ）相接合形成的pn結。加載電壓後（hòu），電子與空穴（xué）結合並發光（guāng），但根據半導體種類的不同，光的顏色（波長）和發光所需的電壓也不同。為開發（fā）能（néng）產生所需波長的（de）光的半導（dǎo）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（chū）紫外區域的（de）光的話，那還無法（fǎ）實用。因為還需要（yào）比以往的光源能夠更有效地發光，而且能以更低成本量產”。氮化鋁（lǚ）镓（AlGaN）作為比較（jiào）有前景的材料受到期待，但存在很多課題。

能生成整齊晶體的（de）新技術（shù）

LED通過使原子有（yǒu）序排列的晶體在基礎（chǔ）物質（基板）上生（shēng）長（zhǎng）來形成pn結（jié）。半導體基板使用廉價的藍寶（bǎo）石（Al2O3），但由於構成晶體的（de）原子與（yǔ）原子之間的距離（晶格常數）不同，當AlGaN晶體生長時會發生變形，出現稱為晶（jīng）格缺陷（xiàn）的瑕疵。沿著（zhe）缺陷線形擴大的裂紋被（bèi）稱為晶體缺陷，缺陷密度（穿透位錯密（mì）度）升高的話，發光效率就（jiù）會降低（dī）。

藍色LED需要在（zài）基板上形成缺陷較少的氮化镓（GaN）晶體膜，實現（xiàn）這個膜（mó）的技術是獲得諾貝爾獎的名城大學終身教授赤崎勇（yǒng）開發的。而深（shēn）紫外LED是在基板上形成氮化鋁（AlN）晶（jīng）體（tǐ）膜，並在上麵生長AlGaN晶體。平山確立了在基板（bǎn）上高品質形成AlN膜來減少缺陷的方法（fǎ）。他回憶（yì）說：“這（zhè）個方法在提高發光效率方麵取得了突破性進展，超越了競爭對手（shǒu）的美國研究團（tuán）隊（duì）”。

AlN晶體利用有機金屬化學氣相（xiàng）沉積法（MOCVD）製作。在約1400度的（de）高溫下向藍寶石（shí）基板供（gòng）應氣態材料（liào），使之作為晶體生長。平山開發的方法首先在基板上生長作為內核的氮化AlN，並以脈衝狀吹入氨氣，使其橫向生長，以填（tián）充核與核之（zhī）間的空隙（xì）。然後連續供應氣體，使之縱向堆疊。通過反複這（zhè）一晶體生長過程，就可形成沒有裂紋的（de）高品質AlN層（圖2）。平山表示（shì）：“要想製作出整齊的晶體，需（xū）要精細控製氣體的濃度、流量和反應（yīng）溫度等。在高溫下氣流容易紊（wěn）亂，需要有豐富的經驗，因此設備是半自製的，根據需要進行了改良（liáng）”。

■圖2：利用透（tòu）射電子（zǐ）顯微（wēi）鏡觀察（chá）發現，在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（jīng）體。AlGaN層的位錯密度較低。

通過在構（gòu）造（zào）上（shàng）下工夫改善發光效率

發光效率與（yǔ）3個因素有關。第一是“內部量子效率（lǜ）”，第二是（shì）“電子注入效率”，第三是“光（guāng）提取效率”。平山正（zhèng）在（zài）努力研究提高這三種效率。

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

電子注入效率是（shì）指注入的電流中進入發光層（céng）的電子的（de）比例，以往的深紫外LED存在注入的電子沒有進入發光層（céng），而是從p層側漏出的問題。

平山介紹說：“原因是p型半導體的空穴（xué）數量（liàng）與n型半導體的電子數量不平（píng）衡。由於（yú）難以增加空穴，通過形成一個電子阻擋層（多量子勢壘（lěi））來反（fǎn）射未結合而直接通過的電子，有效進行了結合”（圖3）。由此，大幅提高了電子注入效率。

■圖（tú）3：為提（tí）高發光效率，利用多量（liàng）子勢壘反射（shè）電子，使之全部在發光層重新結合，另（lìng）外（wài），通過使接觸層透明（míng）化，抑製光的（de）吸收，並利用高反射光子晶體進行反射，提高了光提取效率。

目前存在的課題是，發（fā）光區域（yù）產生（shēng）的光能以多（duō）大比例被提取到外部，也即光提取效（xiào）率。為避免產生的光在（zài）器件結構內部被吸收（shōu），目前正研究將光順利提取到外部的方法。平山表示（shì），這雖（suī）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（lǜ）低的主要原因是，產生的深紫外（wài）線被接觸層（céng）吸收了。因此，通過在被接觸（chù）層吸收之前使之反射改變路徑，就可以防（fáng）止吸收”。

接觸層內部采用具有高反射率的光（guāng）子晶體，光提取側（cè）安裝了藍寶石透（tòu）鏡。另外，為利用光的散（sàn）射效（xiào）應減（jiǎn）少藍寶石基板反射的深紫外線，對基板進行了（le）加工。通過這些方法，將原來不到10％的光提取效率（lǜ）提高到了5倍左右。將來為了剝離藍寶石基板提（tí）取光，預定（dìng）設置氮化鋁柱狀結構，模（mó）擬結果顯示，光提取效率有望達到（dào）70％。

通過改善與發光效率有關的3個因素，有望實現（xiàn）超過低壓汞（gǒng）燈的（de）發光效率。

夢想是應用於激光光源（yuán）

利用AlGaN開（kāi）發的深紫外LED在應用範圍方麵也有優勢。平山充滿期待（dài）地表示（shì）：“通過改變晶體的成分，可以調節深紫外線的波長，這也是一個特點，目前已經（jīng）在222～351納（nà）米的帶域實現深紫外LED。可以根據用途，自由產生所（suǒ）需波長的深紫外線，比如治療特應性（xìng）皮炎和銀屑病等使用的310納米左右的光等”（圖4）。

■圖4：產生270納米深紫外線的深紫外LED。2014年開始麵向殺菌用途銷（xiāo）售（shòu）。

這是正處於開發（fā）過程中的技術，需要將輸出功率由目前的幾十毫瓦左右提高到幾瓦，將來有望應用於殺菌、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（tú）裝等各（gè）個領域。

平山展望未來（lái）表示：“將來打算開發能實現更大輸出功率的深紫外激光二極管（LD）。如果能實現，應該還（hái）可（kě）以分解（jiě）容量超過藍光光盤的大容量存儲介質和有害（hài）物質”。

深紫外（wài）LED的開（kāi）發（fā）空間還非常（cháng）大。

平山秀樹為深（shēn）紫外LED的實用化開辟了道路，為此獲得第9屆（jiè）半導（dǎo）體（tǐ）電子業績獎（赤崎勇獎），受到了（le）高度評價。平山秀樹手裏拿著的是赤（chì）崎勇獎獎（jiǎng）杯。