딥 자 외 LED 의 발전 과정

ASIF KHAN, 미국 남 카 롤 라이 나 대학

20 세기 90 년 대 는 질화 갈륨 을 바탕 으로 하 는 고 효율 적 인 푸 른 빛, 푸 른 빛 LED 가 그 당시 에 태 어 났 기 때문에 후세 사람들 이 기억 할 것 이다.앞으로 10 년 동안 계속 개선 하 는 것 은 당신 이 볼 수 없 는 것 입 니 다.가든 LED 의 발사 파장 이 자외선 으로 확 대 됐 기 때문이다.Al 을 쓰다_xGa_1-xN 이 만 든 퀘 이 크 월 드 가 In 대신_xGa_1-xN 퀘 이 크 월 드, 기기 가 자외선 영역 에 도달 하여 UVB (315 nm 에서 280 nm) 와 UVC (280 nm 에서 100 nm) 구역 에서 빛 을 발 합 니 다.& nbsp;

그림 2: (a) 제1 세대 부속품 의 외연 층 구조.(b) 제2 세대 부속품 의 외연 층 디자인 은 1 mW 의 출력 을 낼 수 있 고 외 양자 효율 (EQE) 은 1% 이다.화살표 (1 부터 4) 는 더욱 높 은 출력 과 EQE 값 을 야기 하 는 관건 적 인 디자인 변 화 를 묘사 했다.(c) 리 버스 칩 기하학 적 모양 을 가 진 부속품 배치.(d) 변형 / 결함 을 형성 하여 AlN / AlGan 의 초 결정 격 을 완화 시 키 는 데 사용 되 는 짧 은 주기 초 결정 격자 의 투과 전자 현미경.

많은 1 세대 LED 와 마찬가지 로 이 부속품 들 의 외 양자 효율 은 매우 낮다.이 는 네 가지 요인 으로 볼 수 있다. 사파이어 에 있 는 AlN / AlGaN 층 의 수정 격 이 성장 하지 못 해 생 긴 외연 적 결함, p - AlGaN 층 에 보편적으로 존재 하 는 저 도 핑 효율, 구멍 에 공급 되 는 p + GaN 은 양자 우물 에서 나 오 는 광 자 를 많이 흡수 하고 최 단 파장 에서 더욱 심 한 저 광 추출 율 을 보 였 다.

이러한 문 제 를 해결 함으로써 자 외 LED 개발 자 들 은 앞으로 2 년 동안 큰 발전 을 이 루 었 다.우리 팀 및 기타 몇몇 미국 기관 들 에 게 는 DARPA 와 미국 육군 의 지 지 를 얻 기 위해 노력 했다.그들 은 SUVOS 계획 을 후원 하여 존 카 라 노 중령 이 관리한다.SUVOS 계획 기간 동안 우 리 는 우리 의 재료 와 성장, 그리고 부속품 의 디자인 과 포장 을 개선 했다.이러한 개선 은 외 양자 효율 이 약 1% 인 부속품 을 만 들 었 고 25mA 의 구동 전류 에서 출력 은 1mW 에 가깝다.

더 좋 은 성능 은 다음 과 같은 몇 가지 방면 의 결합 에서 비롯 된다. 고온 과 전이 가 강 화 된 펄스 외연 은 AlN 완충 층 을 성장 시 키 는 데 쓰 이 며, 그 두 께 는 2 μ m 를 넘 고, AlN / AlGan 의 초 결정 격자 를 가 진 AlGan 층 은 내장 형 초 결정 격자 를 도입 하고, 마그네슘 이 섞 인 AlGan 전자 장벽 층 을 도입 한다. 극 대화 도 핑, 등급 별 조합 을 가 한 p - AlGan 층 (그림 2 (a) 과 2 (b) 을 가 하 며, 기 구 를 금속 기 판 에 거꾸로 넣는다 (그림 2 (c 참조).

앞에서 말 한 바 와 같이 우리 2 세대 부속품 의 특징 중 하 나 는 초 결정 격자 설 계 를 개선 하여 결함 과 임기응변 관 리 를 보완 하고 출력 을 향상 시 키 는 데 도움 이 된다 (그림 2 (d).이 개 선 된 구조 에서 AlN / AlxGa 1 - xN 초 결정 격 은 포 함 된 짧 은 주기 초 결정 격자 이다.얘 네 는 알루미늄 성분 을 이용 한 Al 입 니 다._xGa_1-xN 층 의 큰 초 결정 격자 가 형 성 된 이 초 결정 격자 는 평균 두께 의 끼 워 넣 기 짧 은 주기 Alxga 1 - xN / Ally Ga 1 - yN 초 결정 격자 로 구성 되 어 있다.이러한 방법 을 통 해, 우 리 는 두께 가 2 μ m 이상 의 무 균열, 고 품질의 Al 을 만들어 낼 수 있다._xGa_1-xN + 층 (n 접촉 층).이 층 을 우리 LED 에 융합 시 켜 전류 확산 을 증가 시 키 고 전류 의 혼잡 을 완화 시 키 며 전력 포화 전 류 를 증가 시 켰 다.열 관리 도 개선 되 어 부속품 의 수명 을 연장 시 켰 다.

뒤이어 우 리 는 실질 적 인 진전 을 이 루 었 다.2005 년 에 우 리 는 우리 의 부속품 의 안정성 과 이들 이 생화학 검 측 에서 의 적용 성 을 보고 할 수 있 었 다.우 리 는 고성능 과 안정 적 인 자외선 LED 를 보 여 주 며 공기 와 물 정화 등 응용 에서 의 상업 화 에 튼튼한 기반 을 다 져 주 었 다.비록 이러한 부속품 들 은 현재 이미 시대 의 흐름 을 따라 가지 못 하지만, 그들 이 제공 하 는 성능 수준 은 바이러스 와 세균 을 죽 이 는 데 매우 효과 적 이다. 예 를 들 어 Ecoli.

전통 적 인 대면 적 UVC LED 의 발전 에 큰 기 여 를 하 는 동시에 우 리 는 일종 의 마이크로 화소 부품 도 보 여 주 었 다.2004 년 에 보 도 된 그런 설정 은 열 관리 에 도움 이 된다.부속품 의 총 저항 이 낮 아 지기 때문에 부속품 의 운행 온도 가 더욱 낮 아 지 는데, 이것 은 전류 가 붐 비 거나 줄 어 든 열 에 대항 하 는 조치 이다.마이크로 화소 부속품 의 또 다른 장점 은 단일 화소 의 편향 을 허용 하여 딥 자 외 LED 디 스 플레이, UVC 광 통신 과 딥 자 외 광각 시스템 의 이상 적 인 선택 이 되도록 하 는 것 이다 (그림 3 참조).자외선 LED 의 성장 에 가장 흔 한 기 판 은 사파이어.이 재 료 는 투명 하고 원가 가 낮 으 며 얻 을 수 있 는 범위 가 넓 어서 AlN 완충 층 과 결합 하여 사용 할 때 UV 송신기 에 좋 은 기 초 를 제공 합 니 다.그러나 미국 두 곳 에서 알 엔 의 기 판 을 대량으로 생산 하 는 그룹 인 크 리 스 탈 IS 와 Hexatech Inc 는 이미 이 기 판 이 깊 은 자외선 LED 방면 에서 의 잠재력 을 탐색 하 였 다.주의해 야 할 것 은 AlN 바탕 의 높 은 원가 와 유한 한 접근 성 때문에 다른 그룹 들 은 이번 평가 에 참여 하지 않 았 다 는 점 이다.AlN 을 지탱 하 는 미래 가 있 지만 대량 생산 재 료 를 사용 하 는 문 제 는 성장 과정 에서 불순물 이 섞 여 UVC 밴드 에 강 한 흡수 효 과 를 가 진 다 는 것 이다.& nbsp;

그림 3: 10 × 10 배열 의 마이크로 화소 LED 가 280 나 노 미터 에서 발사 된다.(a) 10 × 10 마이크로 화소 어 레이 를 가 진 280 nm 딥 자외선 LED 의 스캐닝 전자 현미경 영상.각 화소 의 지름 은 약 30 미크론 이다.(b) 마이크로 픽 셀 LED 가 바이어스 된 이미지 에 균일 한 발 사 를 나타 낸다.(c) 쌍 직선 패 키 징 에 설 치 된 모든 패 키 징 부품 과 확 대 된 부속품 이미지 가 깊 은 자외선 LED 픽 셀 행렬 의 주소 지정 전극 기하학 적 모양 을 뚜렷하게 나타 낸다.(d) 편향 조절 을 통 해 7x 9 모델 의 마이크로 픽 셀 LED 는 UVC 디 스 플레이, UVC 커 뮤 니 케 이 션 시스템 과 딥 자 외 광각 시스템 에 사용 할 수 있다.

상업 정복

딥 자 외 LED 계 에서 대학 연구 진 이 발전 을 추진 했다.그들의 지식 성 과 는 초창기 회사 로 이전 되 어 초기의 상업 화 를 추진 했다.최근 일부 초창기 업 체 들 은 이미 협력 관 계 를 형성 하거나 대기업 에 인수 되 고 있다.

우리 팀 은 이런 추 세 를 열 었 다.우리 의 딥 자 외 LED 기술 은 이미 SETi 와 Nitek Inc 의 배후 조종 자가 되 었 는데, 이 두 개의 남 카 롤 라이 나 주 콜롬비아 에 있 는 작은 기업 은 각각 Seoul Viosis Company 와 Seoul Semiconductors 에 의 해 인수 되 었 다.나 고 야 대학 과 메 이지 대학의 기술 도 UV Craftory 회 사 를 탄생 시 켰 고 이 초창기 업 체 는 Nikkiso / FPG 에 인수 되 었 다.한편, Riken 의 기술 은 DOWA / Panasonic 에 의 해 직접 인수 되 었 으 며, 최근 독일의 베를린 이 공 대 / FBH 기술 은 UV Photonics 에 양도 되 었 다.

AlN 을 베이스 로 개발 한 딥 자 외 LED 도 비슷 한 상황 이다.론 스 러 이 공 대 에서 발명 한 기술 은 크 리 스 탈 IS 의 설립 에 기반 을 다 져 주 었 고 이 회 사 는 이미 Asahi Kasei 에 의 해 인수 되 었 다.노 스 캐 롤 라이 나 주 립 대의 연 구 는 Hexatech 를 창 조 했 고 이 제 는 Stanley 회사 의 일부분 이 되 었 다.이 밖 에 삼 성, LG Innotek, QD Jason, Nichia 등 대기업 들 도 자외선 분야 에 진출 하기 시작 했다.& nbsp;

그림 4: 딥 자 외 LED 발전의 글로벌 파트너 십.또 각 팀 이 사용 하고 있 는 기 판 소재 도 담 겨 있다.

오늘날 거의 모든 보도의 딥 자 외 LED 는 그림 2 (b) 가 묘사 한 초기 부품 의 대부분 구 조 를 가지 고 있다.하지만 중요 한 차이 점 이 있다.많은 상황 에서 변형 관 리 를 제공 하 는 AlN 완충 층 과 AlGan 의 짧 은 주기 인 초 결정 격자 가 도태 되 었 다. 그 대신 두 껍 고 완전 이완 되 는 AlN 완충 층, 그 다음 에 AlGan 의 초 결정 격자 와 두 꺼 운 n + AlGaN 의 접촉 층 이 그 뒤 를 이 었 다.후 자 는 느슨 할 수도 있 고, 가짜 수정 형태 일 수도 있다.

느슨 한 두 꺼 운 AlN 완충 층 을 형성 하기 위해, 많은 다른 방법 이 채택 되 었 다.이러한 완충 층 은 매우 이상 적 인 것 이다. 왜냐하면 그들의 낮은 비트 밀도 가 소스 구역 의 결함 을 낮 추고 LED 의 내 양자 효율 을 높 인 다.우 리 는 고온 펄스 외연 과 수소 가스 의 외연 을 통 해 이러한 완충 층 을 성장 시 키 고 있 으 며, Riken 의 연구원 들 은 암모니아 유량 을 조절 하여 외연 층 을 만 들 고 있다.

딥 자 외 LED 의 비 즈 니스 진전 으로 240 nm 에서 300 nm 사이 의 발사 부품 이 출시 되 었 다.중대 한 진전 에 도 불구 하고 이 부속품 들 의 외 양자 효율 과 그 전광 변환 효율 은 가시광선 부품 보다 훨씬 낮다.인 가 를 바탕 으로 한 블 루 레이 드 는 80% 안팎 의 전광 변환 효율 을 이 루 었 고 266 nm 와 300 nm 딥 자외선 LED 는 보통 5% - 6% 에 불과 했다.

효율 은 낮 았 지만 딥 자 외 LED 의 수명 은 인상적 이 었 다.이들 의 수명 은 보통 10000 시간 으로 공기, 물 정화, 소독, 중합 체 경화 와 광 요법 에 사용 할 수 있다 (상세 한 것 은 네모 난 틀 & quot, UV LED 의 용도 & quot 참조).

발사 파장 이 짧 아 지면 서 딥 자 외 LED 의 외 양자 효율 이 떨 어 지면 서 전광 변환 효율 도 떨 어 졌 다.일부 원인 은 재료 의 질 이 떨 어 지고 알루미늄 성분 을 증가 시 키 는 질화 물 합금 에 어려움 을 겪 기 때문이다.또 캔 자 스 주 립 대의 한 팀 에 따 르 면 발사 파장 이 270 ~ 280 나 노 이하 로 떨 어 지면 서 가격 대의 재배 치 로 횡 극 화 발사 가 주 를 이룬다.이러한 형식의 빛 이 수평 으로 c 평면 으로 이동 하기 때문에 그것 은 부속품 에 효과적으로 갇 혀 광자 추출 을 방해 했다.

그림 5: 딥 자 외 LED 가 사용 하 는 서로 다른 포장 방안.그림 에 나타 난 것 은 (a) 각종 TO 헤드, (b) 빛 을 잘 추출 하기 위해 맞 춤 형 알루미늄 도금 헤드, (c) 기 판 에 있 는 LED 칩 (International Light Corporation (web - site), 그리고 (d) 에폭시 수지 와 석영 돔 을 가 진 패키지 이다.

현재 상용 딥 자 외 LED 의 패 키 징 과 외형 사이즈 의 차이 가 크다.분리 부품 은 TO - 39 패 키 징 을 채택 할 수 있다.이 는 뛰어난 열 관리 가 필요 하기 때문에 대형 부품 에 적합 하지 않다.이 칩 들 은 AlN 자가 설치 한 SMD 패키지 에 설치 되 어 있다.최근 에는 UV 투명 에폭시 수지 패 키 징 을 사용 한 부속품 (부속품 별 패 키 징 방안 의 이미지 5 참조) 도 내 놓 았 다. 딥 자 외 LED 분야 에서 일 하 는 모든 사람들 에 게 가장 큰 도전 은 부속품 의 성능 을 가시광선 대응 부품 과 상당 한 수치 로 향상 시 키 는 것 이다.오늘 의 상업 제품 의 부품 디자인 은 두 가지 주요 한 단점 이 있 습 니 다. 먼저, p + - GaN 구멍 주입 층 은 p 전극 과 소스 구역 에 도 광 손실 을 초래 합 니 다.둘째, 추출 효율 이 낮다.

p + - GaN 층 이 빛 에 대한 흡수 를 줄 이 고 p 전극 으로 전 송 된 빛 을 추출 / 수집 하 는 방법 은 p - AlGan 층 을 사용 하 는 것 을 포함한다.

이 방법 은 센서 전자 기술 회사 (Sensor Electronic Technology), 론 스 러 이 공 대 (Rensselear Poly technic Institute) 와 미국 육군 연구소 가 합작 하여 만 들 었 으 며, RIKEN 이 이 끄 는 일본 팀 이 협력 하여 만 들 었 으 며, 반사 식 p 접촉 기 를 사용 하 였 다.두 팀 모두 10% 에 달 하 는 외 양자 효율 을 이 루 었 다.

더 큰 성공 은 리 킨 과 파 나 소 닉 계열 의 에코 솔 루 션 스 의 협업 에서 비롯 됐다.이들 은 그래 픽 사파이어 바탕 과 투명 p - AlGan 의 접촉 층 을 결합 해 외 양자 효율 이 20% 에 이 르 렀 다 고 보고 했다.

미래 발전 방향

전체적으로 말 하면 AlGan 의 딥 자 외 LED 의 발전 은 InGan 을 바탕 으로 하 는 보 이 는 빛 LED 의 발전 과 일치 하 다.후 자 는 현재 터널 매듭 을 결합 시 켰 는데 이것 은 딥 자 외 LED 에서 탐색 하기 시작 한 기술 이다.오 하 이오 주 립 대학의 연구원 들 은 MOCVD 가 성장 하 는 유 소스 층 에 MBE 성장 n + / p + + + - Al 을 넣는다._0.15Ga_0.85N 으로 만들어 진 자 외 투명 AlGan 터널 의 접촉 층 은 280 - 290 nm 범위 내 에서 발사 되 는 LED 의 출력 과 외 양자 효율 을 배로 높 였 다.

또 다른 연구 분 야 는 딥 자외선 통합 광학 이다.여기에 연구 에 서 는 UVC 투명 도 파 로 칩 에 UVC 광학 과 전자 부품 을 집성 하 는 데 주력 하고 있 으 며, 이 도 파 로 는 AlN 또는 부 알루미늄 AlGaN 에 의 해 만들어 진다.우리 팀 은 남경우전대학 연구원 과 함께 UVC LED 와 탐측 기 와 평면 및 채널 도 파 로 를 통합 하 는 초보 시연 (그림 6 (a 참조) 을 제공 하 였 으 며, 부속품 집성 방법 을 상세 하 게 소개 하 였 으 며, 그림 6 (b) 은 UVC LED / 탐측 기의 이미지 로 통합 하 였 다.

이러한 성공 은 지난 20 년 간 딥 자 외 LED 의 거대 한 발전 을 촉진 시 켰 다.이런 장 비 는 일부 응용 서 비 스 를 제공 하고 있 는데 안정 적 이 고 신뢰성 이 높 아 지면 서 수출 파워 와 원가 비교 우위 가 높 아 지면 서 응용 이 급증 할 것 이다.딥 자 외 LED 의 발전 경 로 는 기본적으로 파란색 선배 들 의 발전 경 로 를 따 를 것 이다.이 는 어떤 단계 에서 더욱 빠르게 진행 되 었 고 2002 년 의 첫 시범 부터 첫 번 째 상업 제품 의 등장 까지 5 년 밖 에 걸 리 지 않 았 다.그러나 기술 의 확장, 출력 과 효율 의 향상 에 10 년 이 걸 렸 다. 이런 것들 은 모두 충분 한 성능 을 제공 할 수 있 는 저 원가 부품 을 제조 하 는 기본 적 인 요소 이다.이런 부속품 개발 에 대한 새로운 견해 가 대규모 생산 에 통합 되면 상업 용 딥 자 외 LED 의 효율 성 이 높 아 질 것 이다.지난 20 년 동안 우 리 는 이미 긴 길 을 걸 었 다. 새로운 20 년 동안 우 리 는 더욱 멀리 가 야 한다.

자외선 LED 의 용도

딥 자 외 LED 의 응용 은 소독, 바 이오 메 디 컬 기기, 폴 리머 경화 와 생화학 센서 로 나 눌 수 있다.

점 단위 로 사용 되 는 정수 시스템 (좌).UVC LED 어 레이 를 포함 한 에어컨 시스템 이 줄 일 수 있 는 바이러스 와 세균 리스트 (중).UVB LED 기반 의 건선 치료 시스템 (우).

지구 오존층 이 UVC 밴드 의 태양 복 사 를 막 기 때문에 대부분 생물 체 는 이 스펙트럼 범위 내의 복사 에 대응 하기 위해 생존 메커니즘 이 없다.생물 체 가 방사선 을 받 으 면 RNA / DNA 가 변화 하고 번식 에 영향 을 미친다.

그래서 생물 체 는 활동 하지 않 는 다.생물 마다 용량 이 다 르 므 로 어느 정도 파장 을 꼼꼼 히 선택해 야 한 다 는 점 을 유의 하 시기 바 랍 니 다.생물 체 가 출력 100 - 125 밀리 와트, 피크 길이 약 265 나 노 의 UVC LED 에 노출 될 때 40 - 50 mj / cm² 의 통량은 대부분의 세균, 포자, 바이러스를 활성을 상실시킬 수 있다.일부 UVC LED 회사 또는 전략적 파트너는 중간 용량의 포인트 워터 정화에 사용할 수있는 UVC LED 기반 정화 시스템을 판매하고 있습니다.

최근 일부 회사 에 서 는 Covid - 19 바이러스 같은 자외선 복 사 를 바이러스 에 대한 표면 정화 에 사용 하 는 것 을 연구 하기 시작 했다.선두 자 는 Seoul Viosis Company.이 회사 의 Violeds 딥 자 외 LED 기술 은 중국 최대 에어컨 제조 업 체 & quot, 글 리 시 전기 & quot, 생산 된 Fresh Air 브랜드 에어컨 에 응용 되 고 있다.또 다른 하 나 는 미국 에서 앞장 서 는 실내 공기 처리 업 체 RGF 환경 그룹 이다.이 같은 노력 은 딥 자 외 LED 기술 이 각종 유해 생물 을 보호 할 수 있 음 을 보 여 준다.

다른 유형의 딥 자 외 LED 응용 은 중합 체 경화 이다.UVA / B / C 가 중합 체 에 도달 하면 화학 반응 을 일으킨다.발생 하 는 상황 은 광 유발 제 분자 의 노출 이 자유의 기 초 를 만들어 단량체 와 고분자 의 집적 을 촉진 하 는 것 이다.경화 응용 은 도료, 잉크 인쇄, 접착제, 광각 기 등 관건 적 인 업계 의 기둥 이다.

딥 자 외 LED 는 생물 체 내 에서 광 화학 반응 을 일 으 키 는 것 도 효과적이다.UVB 에서 발 사 된 LED 는 대사 물의 농 도 를 높이 는 절 호의 원천 이다.이 는 깊 은 자외선 을 이용 해 조 사 를 하면 식물의 생장 주기, 맛 과 품질 을 조절 할 수 있다 는 뜻 이다.경제 효 익 을 가 져 오 는 동시에 이런 자외선 자원 은 전 세계 식량 부족 에 대응 하 는 데 깊 은 의 미 를 가진다.

광선 요법 시스템 은 자외선 LED 에 또 다른 상업 기 회 를 제공 했다.이 시스템 들 은 현재 비타민 D 결핍 증, 계절 성 정서 불 균형, 건선 증 치료 에 사용 되 고 있다.