深紫外線LED研究突破性進展：破紀錄、更高效環保！

導讀

目前，大多數的深紫外線燈都是基於水銀的，對於環境有害，並且體積龐大、效率低下。美國康奈爾大學和聖母大學的研究人員合作設計了更小、更環保的「深紫外線LED燈」，且打破了日本團隊之前創造的，使用氮化鎵材料發出紫外光線最短波長（239納米）的記錄，將最短波長降至（232納米）。

研究團隊成員

(圖片來源：康奈爾大學)

紫外線

紫外線是一種電磁波，波長小於可見光，地球表面的大部分紫外線來自太陽輻射。紫外線，是傷害性光線的一種，經由皮膚的吸收，會傷害DNA，當紫外線照射人體或生物體後，人體會發生生理變化。

不同波長的紫外線的生理作用不同。根據紫外線對生物作用，在醫療上把紫外線劃分為不同的波段：

黑斑紫外線(UV-A)在320～400納米波段；

紅斑紫外線或保健射線(UV-B)在280～320納米波段；

滅菌紫外線(UV-C)在200～320納米波段；

致臭氧紫外線(UV-D)在180～200納米波段。

UV-C

處於UV-C 區的紫外線波長短、能量高，可以有效殺滅有害生物。這種特殊形式的紫外線可以穿透病毒、細菌、黴菌和塵蟎的細胞膜，攻擊它們的DNA，並且殺滅它們。

丹麥醫生尼爾斯·呂貝里·芬森發現紫外線可以作為結核病的治療手段，並因此於1903年獲得諾貝爾生理學與醫學獎。從那時開始，使用UV-C 光線進行衛生處理，已經有超過100年歷史。

突破性創新

然而，目前大多數的深紫外線燈都是基於水銀的。它們對於環境有害，並且體積龐大、效率低下。由Huili (Grace) Xing 和 Debdeep Jena 領銜的美國康奈爾大學的一個研究小組，和美國聖母大學的研究人員一起，在設計更小型、更環保的深外線燈方面取得了突破性進展。

研究小組使用原子級控制的氮化鎵(GaN)單分子薄膜和氮化鋁(AlN)有源區，製造出一種LED，它能發出波長在232到270納米之間的深紫外線。

這種232納米的深紫外線，創造了人類使用氮化鎵作為發光材料，發出的光線波長最短的記錄。之前的記錄是239納米，由日本團隊創造。

論文《利用單層薄二進位GaN/AlN量子異質結構，分子外延生長的232-270納米的深紫外線LED》"MBE-grown 232-270 nm deep-UV LEDs using monolayer thin binary GaN/AlN quantum heterostructures" 在線發表於《應用物理快報》雜誌上。

提升紫外線LED燈的效率

目前的紫外線LED所面臨的一項主要挑戰就是效率，可以從三個方面衡量：

「注入效率」，電子通過設備，進入有源區的比例。

「內量子效率」(IQE)，有源區中所有電子產生光子或者紫外線的比例。

「光萃取效率」，有源區中產生出的光子的比例，這些光子可以從設備中萃取，並且實際上是有用的。

Islam 說：

「如果你在所有三個方面的效率都達到了50%，但是將所有這些疊加後，你將得到的效率是八分之一，所以你的效率實際上已經降到了12%。」

在深紫外線波段，以上這三個因素的效率都很低。但是，研究小組發現使用氮化鎵取代傳統的鋁氮化鎵，內量子效率和光萃取效率都會提高。

然而注入效率的提高，研究人員則是通過正級（電子）和負極（空穴）載體區域的極化感應摻雜方案來實現。研究小組在之前的研究中開發過這項技術。

未來展望

現在，研究小組已經證明了改進後的深紫外線LED，效率方面有所提升，他們下一個任務就是將它集成到設備內，未來有一天可以上市。

對於UV-C的用途，論文的領導作者、博士後研究員 SM (Moudud) Islam，評論：

「UV-C光線十分有用，它可以毀壞一些物種的DNA，這些物種會引起傳染病，污染水和空氣。」

深紫外線LED可以應用於食品保存、假幣檢測等領域。

未來的研究包括在其他類似的設備中，分別集成這項技術和現有的技術，進行對比。對此，Jena 說：

「在量化效率方面，我們很希望在未來幾個月內進行組裝，並且作為產品來測試，並且嘗試使用現有技術的產品作為標準進行對比檢查。」

參考資料

【1】http://www.news.cornell.edu/stories/2017/03/group-blazes-path-efficient-eco-friendly-deep-ultraviolet-led

【2】S. M. Islam, Kevin Lee, Jai Verma, Vladimir Protasenko, Sergei Rouvimov, Shyam Bharadwaj, Huili (Grace) Xing, Debdeep Jena.MBE-grown 232–270?nm deep-UV LEDs using monolayer thin binary GaN/AlN quantum heterostructures. Applied Physics Letters, 2017; 110 (4): 041108 DOI: 10.1063/1.4975068