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    【日經BP社報道】 可發出紫外光的高功率GaN類發光二極管（紫外LED）開始陸續亮相。日亞化學工業將從2002年5月起供應光輸出功率為原有產品約10倍（100mW）的紫外LED工業樣品。同時，日本的新能源·產業技術綜合開發機構（NEDO）與金屬類材料研究中心共同實施的“21世紀照明工程”則成功開發出了外部量子效率高達31%的紫外LED。上述兩種LED的波長分別為380nm和400nm。

　　紫外LED正在受到照明設備廠商及液晶顯示器廠商的廣泛關注。因為通過配合使用紫外光與可將紫外光分別轉換成紅色（R）、綠色（G）、藍色（B）的熒光材料，有可能實現具有較強色彩再現力的白色LED。目前，市售的白色LED大多使用的是藍色LED以及將藍色光轉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上時會顯現出微弱的橙色。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的發光效率較使用藍色LED的產品大約要低一半，因此亮度就成了紫外LED的一大課題。

　　上述技術發表后，如何生產出具有與使用藍色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中的關鍵所在

　　日亞化學工業之所以能實現100mW的高功率，原因主要有兩個：其一，將封裝LED芯片面積擴大到普通LED的10倍，即1mm×1mm。此舉便使得功率遠高于此前其它公司的產品。

　　其二是：為了解決LED因紫外光而出現的性能惡化現象，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，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類藍紫色半導體激光器中采用。由于此前作為封裝材料使用的環氧類樹脂材料在紫外光的作用下，容易出現樹脂性能惡化的現象，導致透明性降低，從而使得LED亮度也隨之降低。

　　另外，還有一個不可忽視的特點。那就是將紫外LED發光波長設定為380nm。在波長為405nm的產品中，已經存在具有更高輸出功率的紫外LED。例如，美國Cree公司供應的紫外LED工業樣品的輸出功率為250mW。但是，考慮到目前使用的熒光材料，380nm波長LED的RGB轉換效率要更高一些。

　　包括山口大學等院校參加的“21世紀照明工程”正在探討使用400nm波長紫外LED的可行性。因為“波長380nm的光，在提高使用紫外LED制造的白色LED的發光效率時早晚都要面臨極限”（該大學工學部教授、“21世紀照明工程”項目負責人田口常正）。

　　該工程主張最佳波長為400nm的理由主要有兩個。一個是紫外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與新照明系統的應用”論壇上三菱電線工業與Stanley電氣、山口大學共同發布的數據顯示，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內部注入1個電子時，從LED向外部放射的光子的數量。這一數值越高，輸入LED的電能以熱能擴散的可能性就越小。

　　另一個理由是使用400nm波長，有望提高熒光體的RGB轉換效率。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，波長轉換前后的光能量差也就越大。這一能量差將轉換成熱量，最終會減少轉換成光的能量。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 田口）。

剩下的課題是熒光材料和樹脂材料

　　為了進一步提高紫外LED的外部量子效率，“21世紀照明工程”將采用對使用于LED的藍寶石底板的表面進行加工的方法（圖3）。將該表面加工成線條狀后，形成GaN類半導體。通過這項技術，可以將降低外部量子效率的主要原因--結晶缺陷降低到原產品的約1/3（1.5×10⁸cm^-2 )），外部量子效率提高至2.5倍。同時，藍寶石底板的加工費不會太高。“雖然底板成本多少有些提高，但是生產LED的生產能力不會降低。LED芯片的生產成本將會與目前基本持平”（三菱電線工業 信息通信業務本部 信息通信光子研究所 光半導體部門主任研究員只友一行）。

　　當前，將400nm紫外LED用于白色LED所面臨的課題是，如何開發由400nm附近的光激勵的熒光材料以及不會因這種光而出現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換。目前，雖然已經發現了能夠將400nm附近的紫外光有效地轉換成綠色及藍色的材料，但是能夠轉換成紅色的材料只發現了低效率的品種（圖4）。雖然在該工程中負責開發熒光體的化成Optonix表示，通過將紅色熒光體Y₂O₂S:Eu的Y轉換成La，可以將效率提高至原來的2倍，但這離實現高效率的白色LED還有一段距離。

　　封裝材料方面，如果要以白色LED的量產為目標的話，就需要使用容易進行封裝的樹脂材料。一般情況下，環氧樹脂之所以在400nm左右的紫外光中出現性能惡化，是因為樹脂中的苯環雙重結構被紫外光所激勵，加速了樹脂的氧化過程。參加該工程的Stanley電氣正在開發不使用苯環而且具有高耐熱結構的樹脂。因為如果省略了苯環，材料就容易因過熱而出現性能惡化。（記者：大久保聰）

圖1、光輸出功率高達100mW 日亞化學工業將于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，封裝芯片時并沒有使用樹脂類材料。

圖2、波長為400nm時，外部量子效率最高 由日亞化學工業、美國Cree公司和NECD等公司推動的“21世紀照明工程”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、通過加工藍寶石底板提高結晶性能 21世紀照明工程正在開發的GaN類LED構造。要想提高LED的外部量子效率，減少LED中的結晶缺陷是關鍵。與不加工藍寶石底板的普通方法相比，LEPS技術（在沿（11—20）或（1—100）方面加工出溝道的藍寶石底板上形成GaN類LED的技術）可以減少約1/3的結晶缺陷。

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，將光轉換成綠色及藍色的熒光體材料的光吸收強度大約是峰值2/3，而轉換成紅色光的熒光體材料的吸收強度只有約1/10。另外，激勵強度方面，波長380nm時的數值為100。

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