1. 2-я Научно-практическая конференция по физике и технологии
наногетероструктурной СВЧ электроники «МОКЕРОВСКИЕ
ЧТЕНИЯ»
Национальный Исследовательский Ядерный Университет МИФИ,
16-17 мая 2012 г.
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ И
РАЗРАБОТКИ УФ СВЕТОДИОДОВ
В.С. Пашков
Национальный исследовательский ядерный
университет «МИФИ»
pashkov51@mail.ru

2. Содержание
 Введение
 Основные направления применения УФ
светодиодов
 Основные направления разработки УФ
светодиодов
 Принципы построения УФ чипов для различных диапазонов
и основные достижения в разработке светодиодных чипов
УФ диапазона
 Проблемы разработки УФ светодиодов
 Заключение
2

3. Введение
- До настоящего времени большая часть выпускаемых УФ светодиодов
относилась к диапазону ближнего УФ, т.е. имело длину волны 365 - 400
нм.
- УФ-A источники (длина волны 400 –315 нм) в настоящее время – главный
рынок УФ светодиодов и останется таковым в течение по крайней мере
следующих 4 лет.
- Мировой рынок только УФ светодиодов имеет в настоящий момент
годовой оборот примерно 30 млн. долларов США
Основные рынки УФ светодиодов в настоящее время:
3

4. Основные направления применения УФ светодиодов
УФ диапазоны
Существует несколько классификаций в УФ диапазоне: УФ-A (315-400 нм),
УФ-B (280-315 нм), УФ-C (200-280 нм) и Вакуумный УФ (10-200 нм).
- Диапазон УФ-А используется для определения подлинности валюты,
индустриального отверждения, светолечения, и для аналитических
инструментов. Длины волны от 315 до 345 нм данного диапазона
используются для дубления кожи.
- Диапазон УФ-В более опасен, чем УФ-A, он в основном ответствен за
загар, используется в судебных и аналитических инструментах и для
лечебных процедур: для светолечения кожи (псориаза) (308-311нм). УФ-
B не проникает так же глубоко в кожу, как УФ-A, однако может вызывать
самые опасные типы рака кожи (злокачественные меланомы).
- УФ-C диапазон относится к более коротким длинам волны, о котором
иногда говорят как о глубоком УФ диапазоне. Длины волны в этом
диапазоне, особенно при приближении к 275 нм особенно
разрушительны для ДНК микроорганизмов. УФ-C часто используется для
очистки и обеззараживания воды, воздуха и поверхностных
дезинфекций.
4

5. Основные направления применения УФ светодиодов
Области применения УФ светодиодных источников излучения
5

6. Основные направления применения УФ светодиодов
Беспроводная связь (непрямая видимость) - Non-Line-of-Sight (NLOS) в
УФ диапазоне
УФ NLOS базируется на двух связанных явлениях:
- Крайне низкий уровень фона в любое время суток в диапазоне 200 - 280 нм.
- Значительное рассеяние УФ излучения вблизи поверхности земли.
Принцип действия основан на использовании рэлеевского рассеяния на
молекулах
Дальность действия: до 1 – 2км
атмосферных газов.
Достоинства:
- Скрытность
- Высокая помехозащищенность
- Связь в непрямой видимости
- Возможность установки множества
автоматических приемников в различных
местах
Недостатки:
- Низкий уровень сигнала
- Сложная система приема и обработки
сигнала
- Трудности миниатюризации системы
6

7. Основные направления применения УФ светодиодов
Беспроводная связь (непрямая видимость) - Non-Line-of-Sight (NLOS) в
УФ диапазоне – возможные применения
Из-за сильного поглощения и рассеяния в атмосфере потери УФ линий связи растут по
экспоненте, поэтому дальность лежит в пределах 1 – 2 км. Такие системы очень трудно
обнаружить или заглушить на расстояниях за пределами диапазона их действия.
Сочетание их скрытности и возможности работать на непрямой видимости делают эти системы
кандидатами для многих тактических применений.
7

8. Основные направления применения УФ светодиодов
Дезинфекция воды
Принцип дезинфекции основан на воздействии УФ излучения с длинами волн ~ 240–290нм
на ДНК бактерий, вирусов и простейших, а именно, на разрушении нуклеотидов
аминокислот, входящих в их состав, что приводит к потере способности к размножению.
Требования: Доза облучения: 38 мВтсек/см2.
Ограничения: Не подходит для воды с высоким уровнем содержания твердых частиц,
мутности, имеющей цвет, или остаточные органические вещества.
Вариант реализации устройства дезинфекции воды на светодиодах
(http://www.techneau.org/fileadmin/files/Publications/Publications/Deliverables/D2.5.13.pdf )
8

9. Основные направления применения УФ светодиодов
Биологические датчики
Назначение: Обнаружение опасных бактерий (биологического оружия)
Принцип действия:
1. Обнаружение люминесценции при воздействии (возбуждении) УФ
излучением с длинами волн ≤ 280 нм. (Длина волны поглощения
триптофана – аминокислота, содержащаяся во всех бактериях).
2. Обнаружение люминесценции при воздействии (возбуждении) УФ
излучением с длинами волн 340 нм (Длина волны поглощения NADH
(Никотинамидадениндинуклеотид) - кофермент, присутствующий во всех
живых клетках.
Возможный вариант
реализации системы
дистанционного обнаружения
вредных примесей по
люминесценции
9

10. Основные направления применения УФ светодиодов
Обнаружение конечной точки (End point detection)
Удаление слоев производится плазменным или сухим травлением. Цель травления -
удаление слоев в незащищенных областях, при этом нельзя удалить слой, расположенный
ниже. Для этого существует несколько возможностей:
1. Использование химикатов, которые протравливают слой селективно и не удаляют при
этом нижний слой.
2. Остановка травления в определенный момент времени. Метод не очень точен.
3. Прекращение травления после удаления определенной толщины металла.
4. Использование интерференции поляризованного света для измерения изменений
оптических свойств поверхности (толщины).
5. Различные химические материалы излучают различные длины волн при взаимодействии
с плазмой. По изменению цвета плазмы можно судить о полном удалении верхнего слоя.
Последние три метода называют "обнаружением конечной точки"
10

11. Основные направления применения УФ светодиодов
Обнаружение конечной точки (End point detection) (варианты реализации)
Использование УФ излучения для определения конечной точки для
повышения надежности оптического контроля
(http://www.freepatentsonline.com/8158526.pdf )
Измерение изменений интенсивности света, отраженного от поверхности
образца поверхности во время процесса травления или эпитаксии
Цвет плазмы определяется разными
веществами в газе. Кроме молекул и
их фракций плазмы
травления присутствуют атомы
слоя, подвергаемого травлению.
Атомы попадают в плазму и
определяют цвет и оптический
спектр плазмы.
11

12. Основные направления применения УФ светодиодов
УФ отверждение
Принцип действия: Ультрафиолетовое отверждение это процесс, в котором УФ
излучение поглощается сенсибилизатором, вызывая реакцию в мономере, что делает его
твердым и сухим.
Применение:
Микрооптика
Традиционное корпусирование ИС
Временный монтаж пластин – обработка тонких пластин/перенос покрытия
Принтеры с использованием УФ светодиодов
Некоторые другие применения, включая стоматологию
Преимущества применения УФ светодиодов. УФ-излучение светодиодного
источника сосредоточено в сравнительно узкой полосе спектра, что позволяет достичь
более высокой производительности. Существующие в настоящее время системы AML
имеют следующие длины волн:
395 нм ± 20 нм при 4 Вт см2
365 нм ± 10 нм при 1,5 Вт см2
12

13. Основные направления разработки УФ светодиодов
Состояние разработок УФ светодиодов (RIKEN Advanced Science Institute
- Япония):
Достижения Длина Вых. Примечание
волны, Мощность,
нм мВт
2007 Реализован 260 2 Реализована
высококачественный внутренняя квант.
буферный слой AlN эфф.
50-80%
2008 Введены квантовые ямы, 280 10
разработан УФ светодиод
на InAlGaN
2010 Введен многоквантовый 250 15 Реализована
барьер (MQB) эффективность
инжекции
электронов 80%
Наст.вр. Ведутся работы по Текущий уровень
улучшению контактного вывода света 8-
слоя 15%, цель: 70%
внеш. Кв. вых. 3%
13

14. Основные направления разработки УФ светодиодов
Принципы построения УФ чипов для различных диапазонов
1.Разработка чипа на 280 нм University of South Carolina & Sensor Electronic
Technology.
Чип разработан на базе AlGaN для
генерации глубокого УФ
излучения. Пиковая мощность
светодиода, построенного на
данном чипе:
-1,53 мВт при 450 мA для
постоянного режима (CW)
-24 мВт при 1,5 А для импульсного
режима
14

15. Основные направления разработки УФ светодиодов
Принципы построения УФ чипов для различных диапазонов
2. Послойная структура InGaN УФ-светодиода, выращенного на сапфировой
подложке и излучающего свет на длине волны 370 нм
(http://nauchebe.net/2011/09/uf-svetodiody-izluchayushhie-na-dlinax-voln-bolshe-360-
nm/
Спектры излучения УФ-светодиода
(NichiaCorp.) с длиной волны
375 нм в непрерывном и
импульсном режимах работы
15

16. Основные направления разработки УФ светодиодов
Принципы построения УФ чипов для различных диапазонов
3.Алмазный СД на 235 нм (2009 г.). Разработка Японского Национального
Института Передовых Наук и Технологий (англ. National Institute of Advanced
Industrial Science and Technology (http://eurost.kz/?page_id=832):
- УФ-светодиод имеет алмазную
подложку размером 2 кв.мм, на
которой расположены алмазопо-
добные полупроводники,
структурированные по слоям p-i-n.
- Диаметр электрода равен 120 мкм
- Мощность 30 мкВт при 320 мА.
Достоинства:
- Рост светоотдачи при высокой силе
тока, который продолжается, даже
если плотность тока составляет
2000A/cм2,
- Устойчивость к воздействию
высоких температур.
Недостаток: высокая стоимость
16

17. Основные направления разработки УФ светодиодов
Принципы построения УФ чипов для различных диапазонов. Проблемы.
На рисунке представлен чип выполненный по flip-chip технологии для глубокого УФ. Излучение
выходит через прозрачные для УФ слои AlGaN и AlN и сапфировую подложку. Светоизлучающая
область состоит из множества AlGaN или InAlGaN квантовых ям.
( http://www.techneau.org/fileadmin/files/Publications/Publications/Deliverables/D2.5.13.pdf )
Ключевые проблемы,
подлежащие
решению для создания
высокоэффективных
УФ светодиодов:
-Увеличение вывода света из чипа
-Сокращение высокой плотности
дислокаций в буферных слоях
AlN/AlGaN
-Снижение набора сопротивлений
токораспределяющего слоя AlGaN,
легированного кремнием
-Повышение внутренней квантовой
эффективности InAlGaN MQWs
-Снижение набора сопротивлений
слоев AlGaN, легированных Mg
-Снижение сопротивления p-контакта
-Улучшение отвода тепла от чипа.
17

18. Выводы
1. Проведен анализ основных направлений
использования Уф светодиодов, включающий:
• Анализ рынка применения УФ светодиодов.
• Анализ наиболее перспективных применений УФ
светодиодов.
2. Проведен анализ наиболее передовых разработок
УФ светодиодов в соответствии с наиболее
перспективными применениями УФ светодиодов.
3. Проведенный анализ следует использовать для
проведения оригинальных разработок светодиодов
УФ – А и УФ - С диапазонов.
18