陽明交通大學(NYCU)團隊以ALD技術於UV-C LED關鍵應用


新型冠狀病毒(COVID-19)肆虐全球,全球品牌廠商對殺菌淨化的意識也大幅提升,不論是表面殺菌、空氣殺菌、水淨化等相關產品都格外受到關注。其中深紫外光發光二極體(UVC LED)技術尤為熱門—短波長的UVC LED可有效破壞微生物之DNA、RNA,達到抑菌效果,進而帶動了整體市場規模的發展。
 
日本在此領域技術一馬當先、取得先機,由宣冠代理、原想創新經銷的「NKFG UVC LED 空調殺菌模組」為日本Nikkiso與台塑集團共同創立推出,可直接加裝於既有的空調風管或風箱。無汞及無臭氧產生,且作動時不對人體造成影響,可增加室內空間的防疫效果,適用於大型密閉空間如辦公空間、展演中心、醫院、百貨美食街等,亦可配合客製工程。經實測,某大型醫院受檢發現室內空氣品質細菌濃度超標,安裝UVC LED中央空調模組於風箱後,細菌濃度從2,175 CFU/m³降至323 CFU/m³,殺菌率達85%,經長期追蹤,細菌濃度更維持在200 CFU/m³以下,效果顯著。
 
2020年日本廣島大學(Hiroshima University)研究團隊首次證明波長222nm遠紫外光可有效消滅新冠病毒,且不會對人體造成傷害。由昱凱科技代理的eVIO即為全新222nm波⻑線紫外線燈,eVIO使用了獨家技術,將Excimer燈去除了有害的波長,只留下222nm波長紫外線進行殺菌,對皮膚和眼球無害。適用於有人的室內空間殺菌及物體表面殺菌,如醫院、學校、車廂、商場、飯店、電梯、辦公室等場所。
 
然而,UVC LED目前仍存在光電轉換效率低與壽命較低等問題,是此技術發展及應用推廣過程中必須去面對和解決的難題。其中晶片可以說是UVC LED產業鏈中的核心,若晶片性能不好,無論封裝端如何提升結構、技術,都無法從根本上解決問題。國立陽明交通大學(NYCU)郭浩中教授團隊使用芬蘭領先供應商Picosun ALD (Atomic Deposition Layer) 設備沉積出鈍化層和阻隔膜,使UVC LED的使用壽命延長、可靠性增強,ALD鈍化保護技術可以改善LED昂貴的封裝程序進而降低生產成本。郭浩中教授受訪時提到:「本研究團隊在LED的研究上已經著墨多年,近幾年由於UVC LED與Micro-LED的崛起,為了有效維持元件本身的光電特性,我們與台灣Picosun密切合作並導入ALD鈍化保護技術。尤其UVC LED本身在磊晶過程中會產生許多晶格缺陷,ALD技術的應用就顯得相當重要。」
 
UVC LED中的氮化鋁鎵磊晶層存在晶格不匹配的特性,導致可靠性較低。為了獲得最大的光輸出功率和較長的工作壽命,LED晶片需要表面鈍化以消除由表面缺陷所引起的寄生電流。UVC LED本身具有高鋁含量的特性,容易受到空氣中的水氧影響,進而產生漏電流,降低元件效率。國立陽明交大郭浩中教授研究團隊導入原子層鈍化沉積技術(ALD),沉積Al2O3做為鈍化保護絕緣層,再鍍上金屬電極與後段晶片製程。Al2O3提供極高的絕緣特性,有效減少電流在傳輸時晶片表面的漏電流,且使用ALD所沉積之Al2O3有非常高的深寬比(high aspect ratio),使其可在垂直側壁的孔洞上均勻的鍍上Al2O3,如圖一(a)(b)為披覆在UVC LED表面的鈍化保護層(包含使用ALD沉積的Al2O3與使用PECVD沉積的SiO2);若單純使用一般CVD機台沉積鈍化材料如SiO2,容易導致孔洞底部尚未均勻鍍膜,開口已經被絕緣材料封閉的現象。
 

圖一、(a)(b)/低倍率條件下UVC LED表面的鈍化保護層表面形貌。
(來源:https://www.mdpi.com/2304-6732/8/6/196)
 

圖二(a)比較有無進行ALD鈍化保護技術時的元件漏電流特性,可以發現有進行ALD鈍化保護技術的元件所產生的漏電流密度約為10–6 A/cm2,遠低於沒有進行ALD鈍化保護技術的5 х 10–3 A/cm2,表示在發光元件元件應用上,ALD鈍化保護技術依舊提供優異的鈍化保護層技術,使得表面缺陷得以持續抑制,增加輻射複合效率。此外,ALD鈍化保護技術抑制漏電流的同時也提供元件良好的可靠度,當元件尺寸縮小時,也代表側壁缺陷的比例對於整體元件而言已經不可被忽視,此時的ALD鈍化保護技術就顯得非常重要,其能維持元件本身的特性。圖二(b)顯示在環境(溫度/濕度)為(25 °C/ 60%)的可靠度測試條件下進行的老化測試。可以觀察出經過500小時的可靠度測試下,有進行ALD鈍化保護技術的UVC LED之光輸出功率僅會下降10%,而沒有進行ALD鈍化保護技術的元件則下降超過40%,代表ALD可以提供更好的成膜品質,減少側壁缺陷帶來的影響。相關研究成果已經刊登至期刊《Photonics 2021, 8, 196

(來源:https://www.mdpi.com/2304-6732/8/6/196)
 
隨著晶片技術的進步、新材料和封裝形式的引入,UVC LED的發光效率、使用壽命、價格問題會漸漸改善。性能提升之後,取代汞燈將是必然趨勢。
 
關於Picosun ALD
 
    Picosun是原子層沉積(ALD)技術的領先供應商,總部設在芬蘭,在台灣、美、中、日、韓、德、新加坡都設有分公司,並且在全球佈署行銷和支援網絡。Picosun藉由頂尖的薄膜塗層解决方案專業技術,讓工業大步躍進,現今Picosun™ ALD系統被應用在多元產業的生產製程上,可謂產、學、研界的重要推手,詳情請洽Picosun代理商—元鋒精密
 
文章來源:LEDinside 陽明交通大學(NYCU)團隊以ALD 技術於UV-C LED 關鍵應用 - LEDinside