UVA-, UVB- och UVC-lysdioder: teknik och mätning

Tillverkning av ultraviolett ljusemitterande dioder

Elektromagnetisk strålning genereras i allmänhet i III-V-halvledare, dvs. halvledare tillverkade av grundämnen från periodiska systemets tredje och femte huvudgrupp, varvid våglängden för UV-LED:s emissionstopp huvudsakligen bestäms av materialets fasta lösningssammansättning.

Genom att legera halvledarna aluminiumnitrid (AlN), galliumnitrid (GaN) och indiumnitrid (InN) kan emissionsvåglängder inom UVA (400 nm–315 nm), UVB (315 nm–280 nm) och UVC (280 nm–200 nm) uppnås.

Tillverkningen av UV-LED:er omfattar ett antal steg: 
Design av LED-heterostrukturen och chiplayouten, tillväxt av substraten och basskikten, epitaxi av halvledarheterostrukturen, bearbetning av LED-komponenter på waferniva och slutligen uppdelning av wafrarna i LED-chip och montering av dessa i kapslingar. UV-LED:er består därför av många hundra halvledarskikt vars sammansättning och dopning måste anpassas efter respektive funktionalitet.

LED:ernas emissionsvåglängd bestäms av sammansättningen och dopningen där UV-strålningen genereras. För alla steg är det viktigt att den elektriska effekten omvandlas effektivt till optisk strålningseffekt. Wall-plug efficiency (WPE) är en särskilt viktig parameter för tillämpningen. UV-LED:ernas totala verkningsgrad anger förhållandet mellan den optiska strålningseffekten och den tillförda elektriska effekten.

UVA-emitterande UV-LED:er uppnår numera en WPE på cirka 30–40 %, medan blåemitterande LED:er redan uppnår en mycket hög WPE på cirka 80 %. Däremot har LED:er med emission i det låga UVB- och UVC-området betydligt lägre WPE, under 5 % till 10 %. Av denna anledning genomgår UVB- och UVC-LED:er kontinuerlig optimering och teknologisk utveckling. Följaktligen måste tillgängliga LED-typer efter en tid ersättas av efterföljande typer.

Jämförelse av UV-LED:er för UVA, UVB & UVC

Jämfört med äldre UV-LED:er uppvisar de senaste UVB- och UVC-LED:erna betydligt högre verkningsgrad och förbättrad prestanda. Äldre UV-LED:er led ofta av höga drifttemperaturer och snabb degradering, vilket har förbättrats avsevärt genom de senaste utvecklingarna. Den aktuella generationen UVB- och UVC-LED:er använder avancerad kylteknik samt förbättrade halvledarstrukturer och optiska kopplingar, vilket inte bara förlänger livslängden utan också ökar verkningsgraden.

UVB- och UVC-LED:er uppnår ännu inte samma prestanda och uteffekt som UVA-LED:er, men har kunnat komma betydligt närmare under de senaste åren.

UVB- och UVC-LED:er samt UVA-LED:er tillverkas av olika substrat och med olika epitaxiprocesser som är specifikt anpassade till önskade våglängder och prestandakrav. Valet av substrat och epitaxi-metod har en betydande inverkan på LED:ernas verkningsgrad, prestanda och kostnad.

Nedan visas en teknisk jämförelse mellan UVA-LED:er med våglängderna 365 nm och 385 nm och kortvågiga LED:er vid 265 nm (UVC) samt 285 nm och 295 nm (UVB). Tabellen tar hänsyn till generella parametrar såsom verkningsgrad, uteffekt, livslängd och typiska tillämpningar.

Förklaringar:

Toppvåglängd: Våglängden vid vilken lysdioden har högst emission.

Optisk effekt: Den totala effekten av det ljus som lysdioden avger, i milliwatt.

Verkningsgrad: Förhållandet mellan den avgivna optiska effekten och den absorberade elektriska effekten.

Livslängd: Den förväntade driftstiden för lysdioden fram till den punkt då utstrålningen sjunker till en viss procentandel av sitt ursprungliga värde, vanligtvis 70 % (L70).

Drifttemperatur: Det temperaturintervall inom vilket lysdioden kan drivas säkert och effektivt.

Typiska tillämpningar: De vanligaste tillämpningarna för de specifika lysdioderna.

Värdena i tabellen är generella och kan variera beroende på tillverkare och specifik lysdiodmodell. Det är också viktigt att notera att verkningsgraden och uteffekten hos UVC-lysdioder, särskilt vid kortare våglängder, vanligtvis är lägre än hos UVA-lysdioder.

Medan UVA-lysdioder vanligtvis har lägre aluminiuminnehåll i AlGaN-skikten, kräver UVB- och UVC-lysdioder högre aluminiuminnehåll för att uppnå kortare våglängder. Den epitaxiala deponeringen för UVB- och UVC-lysdioder är tekniskt mer krävande på grund av det högre aluminiuminnehållet och de därmed förknippade högre kristalldefekterna. Detta leder till högre produktionskostnader och lägre utbyten.

Dessutom varierar den avgivna våglängden på grund av tillverkningsprocessen. Av denna anledning grupperas UV-lysdioderna spektralt efter separation, en process som kallas binning. Det är viktigt att notera att våglängden kan ändras något om lysdioden byts ut mot en från ett annat parti. Hos klassiska lampor är det däremot atomövergångar och partikelkollisioner som bestämmer emissionen. Därför förändras inte emissionen hos klassiska lampor.

Tabellen ovan jämför komponenter; kalkylatorn nedan jämför själva våglängderna: fotonenergi, frekvens och framför allt fotoner per joule. Den sista kolumnen förklarar varför en processfrisättning inte helt enkelt kan flyttas från 365 nm till 395 nm — vid samma dos anländer omkring åtta procent fler fotoner där.

Användningsområden för UVA-LED

UVA-LED med våglängder i intervallet 315 till 400 nm används inom många tekniska, vetenskapliga och industriella områden och spelar en central roll vid oförstörande provning (NDT) samt i många andra innovativa tillämpningar.

Oförstörande provning (NDT): UVA-LED är ett viktigt verktyg vid fluorescensprovning, ett delområde inom NDT. De används för att synliggöra ytdefekter eller skillnader i material genom att excitera fluorescerande färgämnen som appliceras på de delar som ska provas. Metoden används ofta inom flyg- och rymdindustrin, bilindustrin och metallbearbetningsindustrin för att identifiera sprickor, överlappningar, porer och andra defekter.

UV-härdning: En av de vanligaste tillämpningarna för UVA-LED är UV-härdning av lacker, lim och beläggningar. Tekniken används i tryckeribranschen och vid tillverkning av elektronik (t.ex. vid limning av smartphoneskärmar). UVA-LED erbjuder fördelen med snabb och riktad härdning, vilket förkortar processtiderna och ökar energieffektiviteten.

De fotoinitiatorer som sedan en tid använts inom UV-härdning och UV-tryck är särskilt utformade för att reagera på motsvarande UVA-våglängder. Ytterligare bestrålning med UVB-ljus i intervallet 280 till 300 nm kan förbättra härdningsprocessen.

Medicinska tillämpningar: Inom dermatologin används UVA-LED för fototerapi, särskilt vid behandling av hudsjukdomar som psoriasis och eksem. UVA-strålning kan bidra till att minska inflammationer och lindra symtomen vid dessa sjukdomar.

Växtodling och hortikultur: UVA-LED spelar en roll inom jordbrukstekniken, särskilt vid artificiell belysning för växttillväxt i växthus. De kan bidra till att styra vissa tillväxtprocesser och öka växternas motståndskraft mot skadegörare. Bestrålning med UVA gör att växterna blir kortare.

Kriminaltekniska tillämpningar: Inom kriminaltekniken används UVA-LED för att synliggöra biologiska spår som blod, sperma eller andra kroppsvätskor. Tekniken används också för att identifiera förfalskade dokument eller sedlar.

Analytiska tillämpningar: Inom kemi och biokemi används UVA-LED för att analysera ämnen med fluorescensspektroskopi. Metoden gör det möjligt att exakt bestämma sammansättningen och koncentrationen av kemiska föreningar.

Användningsområden för UVB-LED

UVB-LED används i allt större utsträckning inom medicinen för behandling av hudsjukdomar som psoriasis samt för vitamin D-syntes. Alternativt har excimerlampor eller lasrar med en våglängd på 308 nm använts inom dermatologin i många år. UV-LED ersätter långsamt klassiska UV-lampor. Övriga tillämpningar är därför:

Vitamin D-produktion: UVB-strålning är avgörande för den naturliga produktionen av vitamin D i huden eller i livsmedel. UVB används i utrustning för att producera vitamin D, vitamin D2 eller previtamin D3. När UVB-ljus med en våglängd mellan 290 och 315 nm träffar huden bryts B-ringstrukturen i 7-DHC-molekylen ned. Denna process kallas fotolys.

Till skillnad från människor, som syntetiserar vitamin D genom att huden exponeras för UVB-strålning, producerar växter inte vitamin D på samma sätt. När svampar och vissa algarter exponeras för UV-strålning kan det ergosterol som finns i deras celler omvandlas till ergokalciferol (vitamin D2) genom en fotolytisk reaktion som liknar den som sker när vitamin D3 syntetiseras i människans hud. UVB-strålning bryter specifika bindningar i ergosterolmolekylen, vilket leder till att den omvandlas till previtamin D2. I likhet med syntesen av vitamin D3 hos människor omvandlas det instabila previtamin D2 till det stabila vitamin D2 genom värmeberoende isomerisering.

Solbränna: Inom kosmetikbranschen kan UVB-LED och UV-lampor användas i solningsutrustning för att uppnå en jämn och kontrollerad brunhet.

Fototerapi: Inom medicinsk behandling används UVB för fototerapi, särskilt vid hudsjukdomar som psoriasis och vitiligo. UVB-strålning kan bidra till att normalisera de överaktiva hudcellerna och lindra symtomen vid dessa sjukdomar.

Växtodling: UVB-LED har även tillämpningar inom växtförädling, eftersom UVB-ljus påverkar växternas tillväxt, blomningstid och sekundära metaboliter. Bestrålning med UVB-ljus kan bidra till att öka produktionen av vissa växtbeståndsdelar såsom vitaminer, aromer och färgämnen.

THC-produktion i cannabis: En specifik tillämpning av UVB-LED är optimering av THC-produktionen i cannabis. UVB-strålning är känd för att öka stressen i växter, vilket i sin tur kan öka produktionen av sekundära växtföreningar som THC. Detta används särskilt i legala cannabisodlingsmiljöer för att förbättra växternas potens och kvalitet.

Materialprovning: UVB används vid accelererad åldringsprovning av material för att simulera solstrålning och utvärdera långtidsstabiliteten hos plaster, lacker och andra material.

Användningsområden för UVC-LED

Den fortskridande utvecklingen av UVC-LED när det gäller verkningsgrad, hållbarhet och kostnad gör dem till ett allt mer attraktivt alternativ inom många områden där kvicksilverlampor traditionellt har använts. De allmänna tillämpningarna är därför:

UV-desinfektion: En av de mest framträdande användningarna av UVC är desinfektion av vatten, ytor och luft. UVC-strålning är mycket effektiv för att inaktivera bakterier, virus och andra mikroorganismer, eftersom den skadar deras DNA eller RNA och därmed hindrar dem från att föröka sig.

UVC-LED används i kompakta system för vattenrening för att avlägsna patogena mikroorganismer från dricksvatten vid användningsstället, dvs. vid kranen.

Ytdesinfektion: På sjukhus, i laboratorier och inom livsmedelsbearbetning används portabla eller fast installerade UVC-enheter som avger UVC-strålning för att sterilisera verktyg, förpackningar och arbetsytor. Alternativt integreras UVC-lampor i luftkonditionerings- och ventilationssystem för att rena luften från mikroorganismer och förhindra spridning av sjukdomar.

Sårbehandling: UVC-LED kommer i framtiden även att användas inom medicinsk behandling och sårvård, särskilt vid behandling av svårläkta sår och infektioner. Applicering av UVC-ljus på infekterade sår kan hämma tillväxten av bakteriella patogener och främja läkningen. Det är viktigt att dosera strålningen exakt för att inte skada huden.

Direkt fotopolymerisation: UVC-LED används sällan för fotopolymerisation: deras strålning absorberas i det översta hartsskiktet och den tillgängliga effekten ligger långt under den hos UVA-LED. För beläggningar, lim och 3D-utskriftsharts är UVA-LED vid 365 till 405 nm normen.

Andra analytiska tillämpningar:

UVC-LED tjänar som ljuskällor inom spektroskopi, där de används för att analysera kemiska och biologiska prover, såsom fluorescens- eller absorbansmätning inom miljöövervakning.

Vilken våglängd passar UV-lim?

Fotoinitiatorer absorberar endast inom ett begränsat band. En initiator som är utformad för 365 nm exciteras knappt av en källa på 405 nm – även om den källan är kraftfullare. De industriella UV-LED-topparna vid 365, 385, 395 och 405 nm är olika kemiska erbjudanden, inte utbytbara effektklasser (UV-int – val av UV-våglängd; ScienceDirect – Specifika fotoinitierande system vid 365, 385, 395 och 405 nm). Valet börjar med limmets datablad och slutar med en mätning vid den verkliga källan. En vanlig felkälla: en typbeteckning anger den nominella toppvåglängden, inte den spektrala halvvärdesbredden (FWHM), tillverkningstoleranser eller förskjutningen med övergångstemperaturen.

365, 385, 395 eller 405 nm – spektralområden och tillämpningar

Observera: Tabellen beskriver allmänna tendenser från den tekniska litteraturen. Vilken våglängd som passar i ett specifikt fall beror på den fotoinitiator som faktiskt används och på fogdelens transmission, och bör mätas på den verkliga enheten – inte härledas ur den nominella LED-beteckningen.

Hur en limnings- eller ingjutningsprocess läggs upp och frisläpps utifrån detta visas under utformning av UV-limnings- och ingjutningsprocesser; vilken materialklass som passar tillämpningen behandlas under val av UV-härdande lim, beläggningar och ingjutningsmassor.

Substrat & epitaxi för UV-LED:

• UVA-LED (315 nm till 400 nm):

Safir (aluminiumoxid) används ofta som substrat eftersom det är billigt och lätt tillgängligt. Andra substrat som kiselkarbid (SiC) eller kisel (Si) används också för att utnyttja värmeledningsförmågan och kompatibiliteten med befintliga tillverkningstekniker för halvledare. Epitaxiskiktet deponeras med metallorganisk kemisk ångdeposition (MOCVD) och består vanligtvis av aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), där aluminiumhalten anpassas beroende på önskad emission.

• UVB-LED (280 nm till 315 nm) och UVC-LED (100 nm till 280 nm)

För UVB- och UVC-LED används ofta samma substrat som för UVA-LED, men kraven på materialkvalitet och renhet är högre, särskilt för de kortare våglängderna inom UVC-området. Alternativt används även nativa substrat som aluminiumnitrid (AlN), vilka möjliggör bättre gitteranpassning och därmed lägre defekttätheter. Även här används AlGaN som epitaxiskikt, men med högre aluminiumhalt för att uppnå de kortare våglängderna. Epitaxiskiktet bildas också med MOCVD, varvid särskild uppmärksamhet ägnas kontrollen av defekter och skiktets homogenitet.

Förutom den användbara UV-strålningen avger UV-lampor en stor infraröd andel, eftersom plasmat och det heta lamphöljet strålar ut en stor del av sin förlust som värme. Med UV-LED leds förlusten istället bort till kylflänsen eller vattenkylningen och når inte fram till delen som strålning. Den strålande värmetillförseln är därför avsevärt lägre.

Lägre betyder dock inte försumbar: högeffektsmoduler når irradiansnivåer på flera W/cm² vid ytan av det bestrålade materialet – en effekttäthet i samma storleksordning som en spishäll. Även utan en infraröd andel värms delen märkbart upp. För temperaturkänsliga substrat måste därför bestrålningens tidsförlopp beaktas vid sidan av dosen, och komponenttemperaturen hör hemma i processbedömningen.

En andra punkt gäller den långvågiga änden av intervallet: LED som avger över 400 nm är strängt taget blå LED. Här måste den fotokemiska näthinnerisken ("blue light hazard") bedömas. Grunderna beskrivs på sidan arbetssäkerhet och fotobiologisk säkerhet; för laboratoriearbete och manuell limning är slutna UV-LED-bestrålningskammare den säkrare lösningen.

Den irradians som faktiskt når fram till delen kan övervakas under processen med UV-mätare och radiometrar; kalibrering för enskilda LED-våglängder utförs av det ackrediterade kalibreringslaboratoriet.

Vilka mätinstrument som registrerar spektrum, irradians och strålningsflöde hos UV-LED vid 365 till 405 nm visas på sidan Mätteknik för UV-LED.

Hur mäts pulsade UV-LED korrekt?
Den avgörande skillnaden är mellan pulsens toppvärde och tidsmedelvärdet. Ett instrument med lång integrationstid, som ett spektrometer, visar medelvärdet, det vill säga toppvärdet gånger duty cycle – korrekt för dosen, fel för att bedöma toppirradiansen. För toppvärdet behövs ett instrument vars bandbredd ligger väl över pulsfrekvensen, eller en mätning som triggas på pulsen.

Vilken verkningsgrad uppnår UV-LED?
Den totala verkningsgraden, kallad wall-plug efficiency, relaterar den optiska strålningseffekten till den upptagna elektriska effekten. UVA-LED uppnår cirka 30 till 40 %, blåemitterande LED redan omkring 80 %. LED i det djupa UVB- och UVC-området ligger betydligt lägre, under 5 till 10 %. Orsaken ligger i tillverkningen: kortare våglängder kräver högre aluminiumhalt i AlGaN-skikten, vilket komplicerar epitaxin, ger fler kristalldefekter och sänker utbytet. UVB- och UVC-LED är därför under kontinuerlig utveckling, och tillgängliga typer ersätts efter en tid av efterföljande typer.

Vad betyder binning för UV-LED?
Den emitterade våglängden varierar av tillverkningsskäl. Efter att wafers har separerats grupperas LED-chippen därför spektralt – denna sortering kallas binning. Den praktiska konsekvensen: om en LED byts ut mot en enhet från ett annat batch kan emissionsvåglängden förskjutas något, och en sensor med smalbandig viktning visar då andra värden. Detta sker inte med klassiska lampor, eftersom emissionen där bestäms av atomära övergångar och partikelkollisioner och inte förskjuts när lampan byts.

Hur länge håller UV-LED?
UVA-LED når upp till 10 000 drifttimmar, UVB- och UVC-LED upp till 5000. Livslängden anges vanligtvis som L70, det vill säga den drifttid efter vilken strålningseffekten har sjunkit till 70 % av sitt ursprungliga värde. Den tillåtna drifttemperaturen skiljer sig också: −20 °C till +60 °C för UVA-LED, −10 °C till +50 °C för UVB- och UVC-LED. Eftersom uteffekten minskar kontinuerligt under livslängden är dosstyrd processreglering att föredra framför en fast exponeringstid.