波長最短 美團隊研發高效深紫外LED

素有殺手之稱的 UV-C 紫外光,波長僅 200 到 280 奈米、能量高,可以穿透病毒、細菌、真菌和塵蟎的薄膜,攻擊 DNA 並殲滅這些有害的有機體。

自丹麥教授 Niels Finsen 發現用紫外線可治療結核病後,人類利用紫外線殺菌已經有超過百年歷史。但目前使用的深紫外線燈不只體積龐大、效率低,而且皆含水銀,對環境有害。

美國康乃爾大學的研究團隊,最新就研發出一種體積小且更環保的深紫外線LED光源,並創下目前業界 deep-UV  LED 最低波長的紀錄。

圖為研究團隊成員,照片來源:美國康乃爾大學

研究人員採用原子級控制介面的氮化鎵(GaN)與氮化鋁(AlN)單層薄膜為反應作用區域,成功發射出波長介於 232 到 270 奈米的深紫外 LED 。這種 232 奈米的深紫外線,創下使用氮化鎵為發光材料,所發出的光線波長最短記錄。之前的記錄是由日本團隊創下的239奈米。

研究論文《MBE-grown 232-270 nm deep-UV LEDs using monolayer thin binary GaN/AlN quantum heterostructures》於 月 27 號發表於《應用物理快報》期刊(Applied Physics Letters)網站。

提高紫外線LED效率

目前紫外線 LED 最大瓶頸就是發光效率,可以由三個方面來衡量:

1. 注入效率:注入反應作用區域的電子通過裝置的比例。

2. 內量子效率(IQE):反應作用區域中所有電子產生光子或紫外線的比例。

3. 出光效率:反應作用區域中產出的光子比例,這些光子可以從裝置中取出,而且是可以利用的。

論文作者之一 SM (Moudud) Islam 博士表示:「如果上述三個方面的效率都達到 50%,相乘起來只有八分之一,等於發光效率已經降到 12%。」

在深紫外線波段,這三方面的效率都很低,但研究團隊發現,利用氮化鎵取代傳統的鋁氮化鎵,可以提高內量子效率和出光效率。

而為了提高注入效率,研究團隊採用之前開發出的技術,在正極(電子)和負極(電洞)載體區域,採用極化感應摻雜法來實現。

研究發展

在成功提升深紫外 LED 的發光效率後,研究團隊的下一步是將光源整合到裝置內,朝上市的目標邁進。深紫外光的應用領域包含食物保鮮、假鈔辨別、光觸媒、水的淨化殺菌等等。
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