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    【日經(jīng)BP社報(bào)道】 可發(fā)出紫外光的高功率GaN類發(fā)光二極管（紫外LED）開始陸續(xù)亮相。日亞化學(xué)工業(yè)將從2002年5月起供應(yīng)光輸出功率為原有產(chǎn)品約10倍（100mW）的紫外LED工業(yè)樣品。同時(shí)，日本的新能源·產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）與金屬類材料研究中心共同實(shí)施的“21世紀(jì)照明工程”則成功開發(fā)出了外部量子效率高達(dá)31%的紫外LED。上述兩種LED的波長分別為380nm和400nm。

　　紫外LED正在受到照明設(shè)備廠商及液晶顯示器廠商的廣泛關(guān)注。因?yàn)橥ㄟ^配合使用紫外光與可將紫外光分別轉(zhuǎn)換成紅色（R）、綠色（G）、藍(lán)色（B）的熒光材料，有可能實(shí)現(xiàn)具有較強(qiáng)色彩再現(xiàn)力的白色LED。目前，市售的白色LED大多使用的是藍(lán)色LED以及將藍(lán)色光轉(zhuǎn)換成黃色光的熒光體材料，紅色光成份較弱。將白色光照射在紅色物質(zhì)上時(shí)會顯現(xiàn)出微弱的橙色。如果要用于背光燈的話，就只好在彩色濾波器上想辦法。但如果是紫外LED的話，就可以解決這些問題。不過，由于紫外LED的發(fā)光效率較使用藍(lán)色LED的產(chǎn)品大約要低一半，因此亮度就成了紫外LED的一大課題。

　　上述技術(shù)發(fā)表后，如何生產(chǎn)出具有與使用藍(lán)色LED相同亮度的白色LED，各LED廠商的解決方案一下子變得明朗了。

芯片尺寸與封裝是開發(fā)中的關(guān)鍵所在

　　日亞化學(xué)工業(yè)之所以能實(shí)現(xiàn)100mW的高功率，原因主要有兩個(gè)：其一，將封裝LED芯片面積擴(kuò)大到普通LED的10倍，即1mm×1mm。此舉便使得功率遠(yuǎn)高于此前其它公司的產(chǎn)品。

　　其二是：為了解決LED因紫外光而出現(xiàn)的性能惡化現(xiàn)象，在封裝過程中采用了不使用樹脂材料的方法。通過將LED芯片裝入金屬封裝內(nèi)，不使用任何封裝材料直接用金屬蓋封住。這種方法此前該公司一直在GaN類藍(lán)紫色半導(dǎo)體激光器中采用。由于此前作為封裝材料使用的環(huán)氧類樹脂材料在紫外光的作用下，容易出現(xiàn)樹脂性能惡化的現(xiàn)象，導(dǎo)致透明性降低，從而使得LED亮度也隨之降低。

　　另外，還有一個(gè)不可忽視的特點(diǎn)。那就是將紫外LED發(fā)光波長設(shè)定為380nm。在波長為405nm的產(chǎn)品中，已經(jīng)存在具有更高輸出功率的紫外LED。例如，美國Cree公司供應(yīng)的紫外LED工業(yè)樣品的輸出功率為250mW。但是，考慮到目前使用的熒光材料，380nm波長LED的RGB轉(zhuǎn)換效率要更高一些。

　　包括山口大學(xué)等院校參加的“21世紀(jì)照明工程”正在探討使用400nm波長紫外LED的可行性。因?yàn)椤安ㄩL380nm的光，在提高使用紫外LED制造的白色LED的發(fā)光效率時(shí)早晚都要面臨極限”（該大學(xué)工學(xué)部教授、“21世紀(jì)照明工程”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人田口常正）。

　　該工程主張最佳波長為400nm的理由主要有兩個(gè)。一個(gè)是紫外LED本身的外部量子效率在400nm附近最高（圖2）。2002年3月7日、8日于東京召開的“白色LED與新照明系統(tǒng)的應(yīng)用”論壇上三菱電線工業(yè)與Stanley電氣、山口大學(xué)共同發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，波長400nm的外部量子效率是380nm的近2倍。外部量子效率表示的是向LED內(nèi)部注入1個(gè)電子時(shí)，從LED向外部放射的光子的數(shù)量。這一數(shù)值越高，輸入LED的電能以熱能擴(kuò)散的可能性就越小。

　　另一個(gè)理由是使用400nm波長，有望提高熒光體的RGB轉(zhuǎn)換效率。其理由是RGB各自的波長與紫外光之間的波長差距較小。波長差距越大，波長轉(zhuǎn)換前后的光能量差也就越大。這一能量差將轉(zhuǎn)換成熱量，最終會減少轉(zhuǎn)換成光的能量。白色LED本身的外部量子效率方面，“很有可能還是波長400nm的光最高”（山口大學(xué) 田口）。

剩下的課題是熒光材料和樹脂材料

　　為了進(jìn)一步提高紫外LED的外部量子效率，“21世紀(jì)照明工程”將采用對使用于LED的藍(lán)寶石底板的表面進(jìn)行加工的方法（圖3）。將該表面加工成線條狀后，形成GaN類半導(dǎo)體。通過這項(xiàng)技術(shù)，可以將降低外部量子效率的主要原因--結(jié)晶缺陷降低到原產(chǎn)品的約1/3（1.5×10⁸cm^-2 )），外部量子效率提高至2.5倍。同時(shí)，藍(lán)寶石底板的加工費(fèi)不會太高。“雖然底板成本多少有些提高，但是生產(chǎn)LED的生產(chǎn)能力不會降低。LED芯片的生產(chǎn)成本將會與目前基本持平”（三菱電線工業(yè) 信息通信業(yè)務(wù)本部 信息通信光子研究所 光半導(dǎo)體部門主任研究員只友一行）。

　　當(dāng)前，將400nm紫外LED用于白色LED所面臨的課題是，如何開發(fā)由400nm附近的光激勵(lì)的熒光材料以及不會因這種光而出現(xiàn)性能惡化的封裝材料。

　　熒光材料方面，存在的問題依然是紅色光的轉(zhuǎn)換。目前，雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了能夠?qū)?00nm附近的紫外光有效地轉(zhuǎn)換成綠色及藍(lán)色的材料，但是能夠轉(zhuǎn)換成紅色的材料只發(fā)現(xiàn)了低效率的品種（圖4）。雖然在該工程中負(fù)責(zé)開發(fā)熒光體的化成Optonix表示，通過將紅色熒光體Y₂O₂S:Eu的Y轉(zhuǎn)換成La，可以將效率提高至原來的2倍，但這離實(shí)現(xiàn)高效率的白色LED還有一段距離。

　　封裝材料方面，如果要以白色LED的量產(chǎn)為目標(biāo)的話，就需要使用容易進(jìn)行封裝的樹脂材料。一般情況下，環(huán)氧樹脂之所以在400nm左右的紫外光中出現(xiàn)性能惡化，是因?yàn)闃渲�中的苯環(huán)雙重結(jié)構(gòu)被紫外光所激勵(lì)，加速了樹脂的氧化過程。參加該工程的Stanley電氣正在開發(fā)不使用苯環(huán)而且具有高耐熱結(jié)構(gòu)的樹脂。因?yàn)槿绻�省略了苯環(huán)，材料就容易因過熱而出現(xiàn)性能惡化。（記者：大久保聰）

圖1、光輸出功率高達(dá)100mW 日亞化學(xué)工業(yè)將于2002年5月上市的紫外LED光輸出功率提高到了100mW。LED芯片面積為1mm×1mm，是普通LED的10倍。另外，封裝芯片時(shí)并沒有使用樹脂類材料。

圖2、波長為400nm時(shí)，外部量子效率最高 由日亞化學(xué)工業(yè)、美國Cree公司和NECD等公司推動的“21世紀(jì)照明工程”的GaN類LED外部量子效率比較。在400nm附近，外部量子效率達(dá)到最大值。如果波長超過400nm，外部量子效率就會緩慢降低。如果小于400nm，外部量子效率則會急劇降低。

圖3、通過加工藍(lán)寶石底板提高結(jié)晶性能 21世紀(jì)照明工程正在開發(fā)的GaN類LED構(gòu)造。要想提高LED的外部量子效率，減少LED中的結(jié)晶缺陷是關(guān)鍵。與不加工藍(lán)寶石底板的普通方法相比，LEPS技術(shù)（在沿（11—20）或（1—100）方面加工出溝道的藍(lán)寶石底板上形成GaN類LED的技術(shù)）可以減少約1/3的結(jié)晶缺陷。

圖4、問題是紅色熒光材料 使用于熒光燈及彩色電視接收機(jī)的熒光材料更容易吸收300nm附近的光。但是，在LED外部量子效率高的400nm附近，將光轉(zhuǎn)換成綠色及藍(lán)色的熒光體材料的光吸收強(qiáng)度大約是峰值2/3，而轉(zhuǎn)換成紅色光的熒光體材料的吸收強(qiáng)度只有約1/10。另外，激勵(lì)強(qiáng)度方面，波長380nm時(shí)的數(shù)值為100。

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