日本深紫外LED成为“未来之光”

生活就是与霉菌的战斗。空调、加湿器、空气净化器、浴室、厨房——打扫只要稍有懈怠，这些地方就会发霉。如果不把小小的霉菌放在眼里，一定会吃到苦头。不光是气味难闻，霉菌在空调的送风口和加湿器中繁殖后，一旦散播到房间中，还有可能引发支原体肺炎等疾病。

“深紫外LED(发光二极管)”能释放出具有杀菌作用，而且肉眼看不到的光线。这种具有杀菌作用的光线，叫作深紫外线。只需要照射看不见的光线，就能轻松杀菌的时代即将到来。除了日常生活之外，深紫外LED还有助于改善贫困地区等的卫生条件。日本企业正在凭借技术实力，引领拯救世界的“未来之光”。

深紫外线是指波长较短的紫外线。在LED领域，现在开发的主要是释放“UV-C”，即100～280nm(纳米，纳为10亿分之1)光线的类型。阳光中也含有深紫外线，但是受到臭氧层的阻挡，基本到达不了地面。

深紫外线的威力早就得到了证实。深紫外线能直接作用于生命的基础——DNA，从根本上掐断细菌繁殖。旭化成UVC项目的项目主管久世直洋介绍说：“研究表明，波长为260nm的深紫外线特别容易被DNA吸收。具有消灭DNA遗传信息的效果”。失去遗传信息后，细菌就不能再继续繁殖。

在过去，汞灯是人们熟知的深紫外线发生设备。主要应用于商用杀菌和检查用途，例如医疗器械、工厂和研究机构、食品领域等。但汞灯在其他领域，普及却存在困难。

首先是性能受限。汞灯的工作电压为100V以上，尺寸为几cm～几m。耗电量大，单是充分发光之前的预热，就需要10～30分钟。而且寿命仅为3000～5000个小时。这样的尺寸、耗电量和耐久性，无法应用于家电和汽车。

最重要的问题是汞对人体有毒。2013年，日本等92个国家签署了《关于汞的水俣公约》。强化限制汞灯的做法正在全球不断扩大。

而深紫外LED可以轻松地在机器上安装，还具有良好的安全性。工作电压约为5～7V，尺寸只有几mm，预热时间为0秒。寿命长达1万个小时以上，并且冲击耐久性强，不使用汞。

深紫外LED打破了汞灯的诸多限制。这项新技术如果得到普及，在生活的方方面面，“杀菌日常化”将会成为现实。

不只是空调、冰箱、饮水机、加湿器等家电，便携终端、住宅设备和汽车等各个场所也都可以安装。因为工作能耗低，在世界上缺乏清洁饮水的贫困地区，应该也能起到改善生活环境的作用。用途将一举实现扩大。有业内人士认为，深紫外LED的相关市场规模在今后的3～4年间，将会突破1000亿日元(约合人民币52.1亿元)。

这项技术目前还存在弱点：发光效率比汞灯差，量产技术也不成熟。不过，用来弥补这些弱点的技术正在开发。

为夺取成长市场，以通过提高发光效率、建立量产技术，实现成本化为目标，全球掀起了白热化的技术开发竞争。一马当先的是3家日本企业：日机装、旭化成和德山。

深紫外LED以半导体技术为基础。竞争的重点，在于能否以高成品率，量产高性能半导体。

诺贝尔奖技术是源泉

2014年，赤崎勇和天野浩因开发出蓝色LED而荣获诺贝尔物理学奖。大型工业泵企业日机装从2006年起，开始在两人的指导下开展实用化研究。在10年后的2015年3月，实现了深紫外LED的量产供货。

借助了世界半导体权威的智慧，建立量产技术为什么还要这么长的时间?这是因为蓝色、红色等已经进入普及阶段的各种LED与深紫外LED使用的材料不同。

一般来说，LED是通过在蓝宝石基板上叠加薄膜状发光材料的方式制作。

制作蓝色LED时，蓝宝石基板上叠加氮化铟镓的晶体层。制作高质量的晶体层，是实现量产和性能稳定化的重点，但氮化铟镓不容易在蓝宝石上结晶。

为此，人们想出了先在蓝宝石上设置氮化镓“缓冲层”，再在上面叠加氮化铟镓层的方法。赤崎与天野正是凭借开发缓冲层技术等成就，获得了诺贝尔奖。

日机装也着手开发了在蓝宝石基板上设置缓冲层的深紫外LED量产技术。但是，深紫外LED的发光材料与蓝色LED不同，采用氮化铝镓，而且氮化镓具有容易吸收紫外线的性质，所以缓冲层的材料需要变更为氮化铝。

“通过温度管理等方面的改善，现在已经可以量产可靠的产品”(负责研发的日机装技研UV-LED事业部长石黑永孝)。日机装从2016年春天起，还将开始量产发光功率为50毫瓦，达到以往1.7倍的产品。今后还计划供应适合嵌入不同设备的LED，作为第一款产品，该公司开发出了在用水设备中安装的“水杀菌模块”。设备中的水只需以每分钟2～10L的速度流经模块，就能杀灭其中99.9%的大肠杆菌等细菌。

改革基板材料

旭化成对制造方法进行了自主改进。利用2011年收购的美国Crystal IS的技术，成功将基板材料变更为了氮化铝。久世自豪地说：“我们制作出了非常漂亮的单晶基板，而且与发光材料的兼容性良好。可以大幅减少薄膜状发光材料的内部缺陷。”

深紫外LED的单位毫瓦价格据说为2～3美元左右。旭化成已经制定了目标，要利用基板的大口径化技术等，使成本在2016年达到0.5～1美元，未来还要进一步降低到0.25美元。只需几千日元即可在家电中安装的时代即将到来。

旭化成将发挥业务领域广泛，从医疗到住宅、家电部件均有涉猎的优势，推动深紫外LED实现普及。力争到2020年，使销售额达到100亿日元。

不过，氮化铝基板也存在课题：“光提取效率差”。氮化铝的折射率高，LED内部产生的光线，大部分会在平坦的基板表面发生反射，封闭在LED内部。

日本信息通信研究机构与德山正在着手解决这个问题。开发出了世界上输出功率最高、超过90毫瓦的深紫外LED。首先如上图所示，在基板的表面，制作“光子晶体结构”，也就是几百nm大小的凹凸。然后再在上面叠加几十nm大小的微细凹凸，形成“混合结构”，使光提取效率提高到了过去2倍左右。

日本信息通信研究机构深紫外光ICT器件尖端开发中心主任井上振一郎说：“我们还在开发能够利用(像印章一样冲压表面的)纳米压印法，以低成本制造混合结构的技术。”德山将于2016年，投产采用该技术的深紫外LED。

作为深紫外LED开发竞争的领跑者，怎样获得最后的胜利，考验日本实力的时候到了。