氮化物半导体深紫外LED技术现状及应用

刘乃鑫1，郭亚楠1，张童2，崔丹妮2，闫建昌1*

1中国科学院半导体研究所，北京市海淀区清华东路甲35号，邮编100083

2山西中科潞安紫外光电科技有限公司，山西省长治市漳泽工业园区，邮编：046000

*Email: yanjc@semi.ac.cn

一、引言

AlGaN基深紫外发光二极管（LED）作为第三代半导体技术的重要分支，凭借无汞环保、开关速度快、波长精准可控和易于集成等优势，已在公共卫生、医疗健康、工业催化、紫外通信等领域实现突破性应用。在公共卫生领域，其可有效替代传统汞灯，广泛应用于空气、水体及物体表面消毒；在工业领域，深紫外LED可用于食品包装杀菌、工业废水处理、PCB涂层快速固化以及非视距通信系统；在安全通信领域，具有“日盲”特性的UVC波段因大气吸收强、背景干扰低，展现出了显著优势；在生化检测领域，深紫外LED结合荧光激发技术，可实现对水质污染、有机污染物及生物气溶胶的高灵敏度识别；在海洋监测领域，250–280nm波段LED被用于追踪有色溶解有机物（CDOM）浓度变化，为水生态系统评估提供关键数据支持；在医疗健康领域，基于深紫外光源的光疗设备在治疗银屑病、白癜风和骨质疏松症等方面表现出较传统光源更高的安全性与靶向性。

目前深紫外LED商业化产品的波长覆盖227–280nm，光功率可达60mW（100mA驱动电流），具备高稳定性和窄谱宽特性。采用板级封装技术的集成模组可实现多芯片高密度集成，输出辐照强度超过100 mW/cm²，具有良好的工程适配性。随着《水俣公约》的实施及疫情防控需求的推动，深紫外LED产业进入了高速增长阶段：2023年国内产值达13亿元，芯片产量达1.2亿颗，灯珠出货量达5000万颗；2024年产值增至17亿元，芯片产量攀升至1.6亿颗，灯珠达7800万颗。

二、国际技术现状

深紫外LED的制造流程主要包括外延生长、芯片制造和封装三大环节。

(1) 外延阶段：采用高温金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备进行高质量AlGaN基外延层生长，设备性能和工艺参数直接决定器件结构和材料缺陷密度，是影响器件效率的关键环节。

(2) 芯片制造阶段：主要涉及光刻、刻蚀和金属沉积等工艺。光刻用于实现微米级图形转移；感应耦合等离子体蚀刻（ICP）结合干法刻蚀工艺，可精确构建发光台面结构；金属沉积用于正、负电极的制备。

(3) 封装阶段：采用共晶焊技术将芯片牢固连接至基板，确保热阻降低与长期稳定性；引线键合完成电气互联；灌封工艺通过填充透明封装材料，提升光输出效率并增强可靠性。

全球范围内，多个研究机构和公司在深紫外LED领域的各个环节取得了显著进展，通过不同的技术路线提升了器件性能。中国、日本、德国和美国等国家的研究团队在材料生长、器件结构设计和封装技术等方面均有突破，且在许多关键指标上已基本并跑。

图1所示为国内外报道的深紫外LED的峰值外量子效率（External quantum efficiency, EQE）和电光转换效率（Wall-plug efficiency, WPE）[1-7]，远低于可见光LED；且随着波长向更短的深紫外区域发展，效率下降更为显著[8-10]。深紫外LED效率低的主要原因可以归结为材料生长、载流子注入和光提取效率等方面的挑战。首先，高Al组分AlGaN材料的生长难度大，位错密度和点缺陷浓度高。其次，p型AlGaN掺杂效率极低，由于Mg受主的激活能随Al组分增加而显著升高，空穴浓度低，电阻率高[11]；载流子注入浓度不对称，有源区电子过剩并易泄漏到p侧，造成空穴损失和非辐射复合[12]。再者，低的光提取效率（LEE）是限制深紫外LED发光效率的核心瓶颈之一。AlGaN与衬底、空气之间的高折射率差导致大部分光线在内部全反射[13]；高Al组分AlGaN材料的发光模式中TM偏振光占据较大比例，而TM偏振光主要平行于生长表面传播，全反射更严重[10]；用于欧姆接触的p型GaN接触层也会强烈吸收DUV光[14]。

图1 国际上公开报道的深紫外LED的峰值(a) 外量子效率及 (b) 电光转换效率。

Fig. 1. The reported (a) external quantum efficiency (EQE) and (b) wall-plug efficiency (WPE) of DUV LEDs.

日本在深紫外LED领域代表性的研究团队包括Nikkiso Giken公司的Matsukura团队和Nichia Corporation公司的Ichikawa团队。Matsukura团队通过优化p型层光学厚度显著提升了深紫外LED的光输出性能[15]。该团队通过精确计算，设计并比较了厚p-GaN与薄p-GaN两种结构，其中薄p-GaN结构引入了高Al组分的p-AlGaN层。结果表明，当p型层总光学厚度约为发光波长的0.66倍时，器件发光性能达到最优。在此条件下，薄p-GaN结构的光输出功率较厚p-GaN结构提升约2.2倍，在10 mA电流下，峰值EQE和WPE分别达到15.7%和15.3%（目前报道最高水平）。源于薄p-GaN层对紫外光吸收的抑制，以及p型反射电极所形成的干涉增强效应，发光性能得以大大提升。Ichikawa团队则聚焦于提升LEE，提出采用直接键合技术解决传统深紫外LED因不透明p型接触层及封装树脂强吸收导致的光损耗问题[7]。该团队将无机半球形蓝宝石透镜直接键合至LED芯片表面，采用原子扩散键合（ADB）和表面活化键合（SAB）两种工艺实现高质量界面连接，制备了255 nm与280 nm波长的深紫外LED。键合透镜后的器件在输出功率与EQE方面均显著改善：在350 mA电流下，255 nm LED输出功率提升2.8倍，达73.6 mW；280 nm LED提升2.3倍，达153 mW。该方法为深紫外LED的高效封装与光提取提供了技术方向。

德国在本领域则以Technische Universität Berlin和FBH研究所的Michael Kneissl团队为代表。Michael Kneissl团队在发光波长短于250nm的远紫外LED（far-UVC）领域研究领先。他们系统研究了量子阱（QW）数量对远紫外LED光输出性能及退化行为的影响[8]，发现在233 nm波长器件中存在一个最优QW数量范围（6–15个），在此区间内，光功率输出与L70寿命均达到最佳水平。其中，含15个QW的LED在200 mA驱动电流下实现了5 mW的光输出功率和0.47%的峰值EQE，L70寿命为9–13小时。该团队的模拟分析揭示了其机制，增加QW数量可降低单个量子阱中的载流子密度，抑制空穴泄漏与非辐射复合，从而改善器件可靠性。然而，过高的QW数量可能引发光子再吸收效应，反而削弱光提取效率。该团队的研究指出，精准调控QW数量是协同提升far-深紫外LED光效与工作寿命的关键策略。 

美国的代表性团队是Bolb公司的Jianping Zhang团队和University of South Carolina的Asif Khan团队。Jianping Zhang团队报道的峰值波长为268 nm的UVC LED[2]，其峰值EQE和峰值WPE分别达到13.2%和10.3%，在350 mA注入电流下实现199 mW的光输出功率，性能位居当时国际领先水平。为了测算电注入器件的内量子效率（IQE）、LEE等参数，该团队基于载流子复合ABC模型的温控拟合方法，建立了能同时描述热激发、载流子扩散及复合竞争的物理框架[16]。Asif Khan团队从热管理角度出发，通过将像素尺寸缩小至5-15 μm，并采用互连散热设计[17]，在281 nm下实现了裸芯361 W/cm²的高亮度输出。微像素阵列因其较大的比表面积，显著增强了侧向散热能力并改善了电流分布均匀性，有效降低了串联电阻与结温上升，大幅缓解了效率下降的问题。

国内研究团队以中国科学院半导体研究所（简称“半导体所”）的李晋闽研究员、闫建昌研究员团队和北京大学的沈波教授团队等为代表。李晋闽研究员、闫建昌研究员团队联合山西中科潞安紫外光电科技有限公司（简称“中科潞安”）最近提出一种芯片级液体封装技术[4]，显著提升了深紫外LED的LEE。通过实验验证与蒙特卡洛射线追踪模拟分析，研究证实自组装形成的液体杯体结构可有效扩大光子逸出锥角、增加额外出光区域，并利用倾斜侧壁的多重散射效应促进光子逃逸。采用该技术封装的深紫外LED在350 mA电流下的WPE达到10.7%，较传统深紫外LED提升64.9%；5 mA注入电流下的峰值WPE高达13.24%。这种液体杯状结构还能显著增强前向光输出，特别适于高定向的辐照应用场景。沈波教授团队提出并验证了一种量子结构优化策略：调整有源区设计，使其以量子阱层而非量子垒层终止，从而将电子积累效应引导至最后一个量子阱内[5]。该设计使空穴更易注入至发光区域参与辐射复合，有效提升了载流子复合效率。他们研制的277 nm深紫外LED光输出功率达到51.7 mW@ 100 mA，峰值WPE达9.98%。

三、市场应用现状

在技术突破的坚实基础上，深紫外LED正以前所未有的速度从实验室走向广阔的市场，其应用领域不断拓展，展现出巨大的社会价值与商业潜力。

在公共卫生领域，深紫外LED凭借其高效、无毒、环保、可瞬时启停的杀菌特性[18, 19]，正逐步取代传统汞灯，成为空气、水体及物体表面消毒的主流技术方案。其应用已从后疫情时代的应急需求转向常态化公共卫生体系建设，具体体现在三个方面[20]：在空气消毒方面，波长在260-280nm的深紫外LED广泛集成于楼宇中央空调通风系统、室内空气净化器及公共交通车厢内，实现对流动空气的动态持续杀菌。这类应用不仅要求LED单元具备足够的输出功率以应对快速流动的气流，更关键的是需对光路结构与屏蔽装置进行严格设计，确保紫外线不会泄露至人员活动区域，从而实现“人机共存”的安全消毒。在物体表面消杀方面，深紫外LED被应用于电梯按钮、自动扶梯扶手、智能马桶等高频接触表面的即时消毒，该类场景追求在265-280nm最佳杀菌波段下实现较高的表面辐照度，以有效阻断接触式传播链。其技术难点在于如何确保不规则表面接收无死角的照射剂量，并保障LED芯片在持续工作条件下的散热性能与使用寿命。在水体净化方面，深紫外LED多选用265-275nm波段，通过破坏水中微生物的DNA/RNA实现灭菌，相比化学消毒可避免有害副产物的生成，可高效用于公共场所的直饮水终端、二次供水系统及循环水池的净化，确保供水安全。该类应用要求LED具备良好的防水封装和一定的输出功率（通常在数十毫瓦以上），以适应不同水质和流速的处理需求。但目前深紫外LED的电光转换效率仍较低，制约了其在大型水处理厂中替代传统紫外汞灯的经济可行性。此外，各类便携式深紫外LED消毒设备（如消毒盒、杀菌笔）也为个人防护提供了极大便利，共同构建起高效、安全且可持续的立体化消毒屏障。

在工业领域，深紫外LED凭借其可靠性、长寿命及环保特性，正从多个维度重塑传统工艺流程。在食品与饮料行业，深紫外LED系统可被集成于灌装线、包装膜或封闭容器内部，对产品表面及包装材料进行在线、非热式杀菌。通常选用265–275nm波段，并依据产线速度与辐照距离配置相应功率（数瓦至数百瓦），从而在确保微生物灭活效果的同时避免物料受热变质，有效延长货架期并保障食品安全[21]。目前该类应用面临的主要挑战在于，如何在控制成本的条件下实现大照射范围内的均匀辐照，并维持设备在高温、高湿工业环境下的长期运行可靠性。在工业水处理方面，它可用于对市政污水、食品饮料工业用水、游泳池等进行高效消毒[22]，一般采用260–275nm波段，并搭配瓦级高功率模块以适应不同水质条件与紫外穿透深度需求。其瞬时启停的特性便于实现按需杀菌，且无需担心汞泄露带来的二次污染风险。尽管LED光源易于模块化集成和智能控制，但其大规模应用仍受限于当前单位功率的光电转换效率较低，处理大流量水体时，在能耗与总拥有成本上相较于传统紫外汞灯尚未形成绝对优势。在电子与材料制造中，深紫外光（尤以250-280nm波段为主）被用于精密清洗（如去除光刻胶）、表面改性及光固化等工艺。这类应用对波长纯度和功率稳定性要求极高，波长必须与光敏材料的吸收峰精确匹配。当前的主要障碍是满足此要求的深紫外LED光源成本极高，且输出功率和长期工作下的波长漂移控制仍是需要持续攻克的技术瓶颈。

在安全通信领域，深紫外LED利用其独特的“日盲”特性（波长在200-280nm的紫外光被地球臭氧层强烈吸收，太阳光中此波段背景辐射近乎为零），可实现高保密性的“日盲紫外光通信”[23]。这种通信方式不易被探测和干扰，且能够实现高保密性的非视距传输[24]，即在有障碍物遮挡或复杂地形环境下，通过大气散射实现通信，特别适用于军事指挥、舰船编队、应急救灾等需要高保密和抗干扰能力的特殊场景。在技术实现上，通信系统的功率与波长选择随传输距离而变化。在近距离室内保密通信或战术应用中，波长265-275 nm、毫瓦量级功率的深紫外LED即可满足需求，重点在于设备小型化与集中化。而在数公里级的远距离通信中，则需采用瓦级以上的高功率LED，并优选靠近日盲波段中心波长（260-270nm）以进一步增强抗背景光干扰能力。尽管如此，该技术的规模化应用仍面临多重挑战。在器件层面，存在光提取效率低、调制带宽受限以及器件寿命较短等问题；在系统层面，则需应对大气信道衰减、背景噪声抑制、高性能日盲滤光等关键技术难题。目前，随着紫外半导体材料与器件工艺的持续发展，深紫外LED安全通信正逐步从实验研究阶段走向特定场景下的示范应用。

在生化检测领域，深紫外LED作为紧凑型激发光源，正推动现场快速检测设备的革新。基于紫外荧光光谱技术，当特定波长的深紫外光（通常位于265-280nm）照射到待测物（如蛋白质、细菌、毒素、DNA）时，会激发出特征荧光，通过分析荧光信号即可实现高灵敏度、高特异性的定性或定量分析。在食品安全方面，可快速检测果蔬表面的农药残留[25]、谷物中的黄曲霉素。这通常需选用特定波长（如280nm常用于激发蛋白质荧光）与适中功率的LED，以在检测水平与设备功耗之间取得平衡。在水质监测方面，紫外监测设备可评估水质污染（如重金属离子[26]、烃类污染），并实现对水体中病原体（如大肠杆菌[27]、军团菌[28]）的现场筛查，有效弥补了传统实验室分析的滞后性。此外，由于深紫外LED能有效激发有机污染物及生物气溶胶的固有荧光，这使得开发用于大气有机污染物监测、甚至战场或公共安全领域生化战剂实时预警的便携式、低成本检测仪成为可能。然而，不同污染物对激发波长响应各异，要求LED光源具备波长可调或精准匹配能力。同时，传感器的微型化、抗环境干扰能力、高功率LED的热管理与光谱稳定性等问题，仍是当前技术推广的主要障碍。

在海洋监测领域，深紫外LED为原位、实时海洋环境监测提供了新工具。传统上，对海水中的硝酸盐、亚硝酸盐、COD等关键化学参数的监测需要采集样本后送回实验室，过程繁琐且滞后。利用深紫外LED，特别是250-280 nm波段的发光特性，可制成高灵敏度的小型化传感器。该波段对有色溶解有机物（CDOM）[29]的荧光激发效应尤为显著，能够通过检测其荧光强度反演CDOM浓度变化，进而有效追踪陆源有机物输入、水体富营养化进程[30]及碳循环通量，为海洋生态系统健康评估提供关键数据支撑[31]。此外，该类传感器还可用于探测浮游植物分布、石油烃类污染物等，其低功耗、小型化与抗干扰特性，使其非常适合搭载于水下机器人、剖面浮标或岸基/船基监测平台，实现长期、连续、实时的海洋数据采集，为海洋科学研究、环境保护和渔业资源管理提供宝贵的数据支持。在实际应用中，传感器需根据监测目标优选激发波长（如260nm左右适用于CDOM检测，275nm左右适用于硝酸盐紫外吸收法检测），并具备数十毫瓦量级的输出功率，以保证在部分浑浊水体中仍能获取有效信号，同时维持较低运行功耗以适应水下平台的能源限制。然而，海洋环境的高腐蚀性、温度波动、光学窗口污染以及深水高压条件下UVC-LED的可靠性问题，仍是制约该类传感器大规模部署的关键挑战。

在医疗健康领域，紫外LED的应用已从设备表面消毒延伸至精准治疗与疾病预防层面。在光疗应用中，基于特定波长的紫外LED光疗设备展现出显著优势，其中波长311nm左右的窄谱中波紫外线已成为治疗银屑病[32]（牛皮癣）、白癜风[33]等皮肤疾病的有效手段。相较于传统宽谱紫外光源，窄谱紫外LED光谱纯净、输出稳定，可实现更高的治疗靶向性，并能精确控制辐照剂量，从而在保障疗效的同时大幅降低皮肤灼伤与癌变风险，为开发安全、便捷的家用型治疗设备奠定了基础。除皮肤疾病外，该技术也在探索用于骨质疏松症的辅助治疗，其原理是通过波长在290-315nm的紫外线高效促进人体合成维生素D[34, 35]，以调节钙磷代谢，增强骨密度。然而，该应用目前仍处于研究阶段，关键挑战在于确定适用于不同皮肤类型与年龄人群的安全辐照剂量方案，并需通过大规模临床试验验证其长期有效性与安全性。在临床感染控制方面，深紫外LED还可集成于内窥镜等医疗设备末端[36]，实现手术过程中的即时杀菌，全方位守护患者与医护人员的健康。

深紫外LED正以其独特的技术优势，从公共卫生到工业制造，从安全通信到精密检测，从海洋监测到医疗健康，全方位、多维度地融入经济社会发展的关键环节。它不仅为传统行业带来了颠覆性的技术革新，更催生出全新的应用场景与市场空间，展现出驱动产业升级、守护公众健康、保障社会安全的巨大综合价值。随着技术的持续成熟与成本的进一步优化，深紫外LED的应用边界还将不断拓宽，其未来市场潜力无限，必将为构建更安全、更健康、更高效的社会贡献更为深远的力量。

四、总结

中国在深紫外LED领域的研究整体上与美国、日本、德国等科技强国处于并跑状态，并在部分关键技术方向实现领跑。国内研究团队在AlGaN材料外延生长、器件结构设计等方面展现出显著创新能力，同时在高可靠性封装技术及水/空气消毒等应用场景拓展方面取得实质性突破。例如，中科院半导体所联合中科潞安公司实现的13.24%的WPE已达到国际先进水平，标志着关键性能指标的全面对标。上述成果表明，依托持续的研发投入和系统性技术创新，中国已在深紫外LED领域构建起覆盖材料、器件到封装的完整技术链，形成了具有国际竞争力的研发体系，并在多个核心维度与美、日、德等传统领先国家实现并跑甚至局部领跑。

未来在技术上，需要继续攻克关键技术难题，提高深紫外LED的综合性能；在市场方面，积极拓展应用领域，加强市场推广，提高国产深紫外LED产品的市场认可度和占有率；在标准制定上，加快建立完善的行业标准体系，规范市场秩序，促进产业健康发展。展望未来，随着智能化控制、标准化模组设计和系统集成能力的提升，深紫外LED有望进一步渗透至更多专业化与高附加值场景，成为推动公共卫生体系建设与工业绿色升级的核心利器。

致谢

感谢国家重点研发计划（2022YFB3604800）、国家自然科学基金（62274163, 62135013, 62234001, 62250071）、北京市科技新星计划（20230484466）和中国科学院青年创新促进会（2022000028, 2023123）等的资助支持。