多年来一直被认为难以实现的蓝色LED（发光二极管）的发明催生了节能长寿的照明器具和显示器等，大大改变了世界。目前最新的前沿研究之一是，能产生比蓝色LED波长更短的紫外线UV LED。

 

在紫外线中，波长尤其短的深紫外线具有高度杀菌能力，有望用于工厂和净水厂等（图1）。目前使用的杀菌灯大多采用水银，但随着2017年《关于水银的水俣条约》的生效，国际社会开始致力于减少水银的使用，在此背景下，深紫外UVC LED便受到期待。使用深紫外LED的产品已经开始上市，但目前发光效率和输出功率都不足。

 

1996年开始研究紫外LED的平山充满信心地表示：“虽然开发竞争很激烈，但我们开发的深紫外UVC LED实现了20.3％这一世界最高的发光效率。不过，要想实现普及，发光效率还需要进一步提高，超过作为杀菌灯使用的低压汞灯，现在的目标是超过30％”。

LED的基本构造是电子较多的n型半导体与电子不足（具有空穴）的p型半导体相接合形成的pn结。加载电压后，电子与空穴结合并发光，但根据半导体种类的不同，光的颜色（波长）和发光所需的电压也不同。为开发能产生所需波长的光的半导体，大量研究人员探索了各种各样的材料。平山介绍说：“如果只是能发出紫外区域的光的话，那还无法实用。因为还需要比以往的光源能够更有效地发光，而且能以更低成本量产”。氮化铝镓（AlGaN）作为比较有前景的材料受到期待，但存在很多课题。

 

能生成整齐晶体的新技术LED通过使原子有序排列的晶体在基础物质（基板）上生长来形成pn结。半导体基板使用廉价的蓝宝石（Al2O3），但由于构成晶体的原子与原子之间的距离（晶格常数）不同，当AlGaN晶体生长时会发生变形，出现称为晶格缺陷的瑕疵。沿着缺陷线形扩大的裂纹被称为晶体缺陷，缺陷密度（穿透位错密度）升高的话，发光效率就会降低。

 

蓝色LED需要在基板上形成缺陷较少的氮化镓（GaN）晶体膜，实现这个膜的技术是获得诺贝尔奖的名城大学终身教授赤崎勇开发的。而深紫外LED是在基板上形成氮化铝（AlN）晶体膜，并在上面生长AlGaN晶体。确立了在基板上高品质形成AlN膜来减少缺陷的方法。他回忆说：“这个方法在提高发光效率方面取得了突破性进展，超越了竞争对手的美国研究团队”。

 

AlN晶体利用有机金属化学气相沉积法（MOCVD）制作。在约1400度的高温下向蓝宝石基板供应气态材料，使之作为晶体生长。平山开发的方法首先在基板上生长作为内核的氮化AlN，并以脉冲状吹入氨气，使其横向生长，以填充核与核之间的空隙。然后连续供应气体，使之纵向堆叠。通过反复这一晶体生长过程，就可形成没有裂纹的高品质AlN层（图2）。表示：“要想制作出整齐的晶体，需要精细控制气体的浓度、流量和反应温度等。在高温下气流容易紊乱，需要有丰富的经验，因此设备是半自制的，根据需要进行了改良”。

 

通过在构造上下工夫改善发光效率

发光效率与3个因素有关。第一是“内部量子效率”，第二是“电子注入效率”，第三是“光提取效率”。平山正在努力研究提高这三种效率。

内部量子效率是表示随着电流而产生的电子与空穴对以多大比例发光的值，表示发光层顺利发光的程度。通过使晶体整齐生长并减少缺陷，成功提高了内部量子效率。

电子注入效率是指注入的电流中进入发光层的电子的比例，以往的深紫外UV LED存在注入的电子没有进入发光层，而是从p层侧漏出的问题。

介绍说：“原因是p型半导体的空穴数量与n型半导体的电子数量不平衡。由于难以增加空穴，通过形成一个电子阻挡层（多量子势垒）来反射未结合而直接通过的电子，有效进行了结合”（图3）。由此，大幅提高了电子注入效率。

 

梦想是应用于激光光源

利用AlGaN开发的深紫外UV LED在应用范围方面也有优势。充满期待地表示：“通过改变晶体的成分，可以调节深紫外线的波长，这也是一个特点，目前已经在222～351纳米的带域实现深紫外UVC LED。可以根据用途，自由产生所需波长的深紫外线，比如治疗特应性皮炎和银屑病等使用的310纳米左右的光等”

这是正处于开发过程中的技术，需要将输出功率由目前的几十毫瓦左右提高到几瓦，将来有望应用于杀菌、净水、空气净化、医疗、生物化学产业、树脂硬化和加工、印刷及涂装等各个领域。

 

展望未来表示：“将来打算开发能实现更大输出功率的深紫外激光二极管（LD）。如果能实现，应该还可以分解容量超过蓝光光盘的大容量存储介质和有害物质”。

中科同志已经开发出以深紫外LED杀毒为核心技术的电梯深紫外杀菌消毒系统、出租车深紫外杀菌消毒仪、深紫外中央空调杀毒模组、口罩/手机深紫外杀菌消毒宝、深紫外杀菌消毒马桶盖、深紫外杀菌消毒医用垃圾桶、地铁深紫外杀菌消毒机器人、车载杀毒风扇等一系列产品，已经取得阶段性成功，在近期的投放实验中，有着明显的效果，能够充分满足对公共交通、公共场所以及家庭防护等不同场景的需求。相信在不久的将来，此类物理杀菌消毒仪器将以更高的效率和更好的用户体验，全面取代化学消毒剂，为我们的健康安全保驾护航！欢迎大家合作。