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南京大学教授陆海:第三代半导体紫外传感技术与应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-09-15   来源:中国半导体照明网  浏览次数:548
紫外传感器的功能是将紫外线强度信息转换为可测量的电信号。在环境监测、生化监测、深空探测、国防预警等领域具有应用。一定程度上,有紫外发光器件,就应该有紫外光探测器件。以紫外消毒应用为例,理论上讲,紫外净化设备应加装紫外传感器,对紫外光的强度和辐照剂量进行监测,确保消毒灭菌过程的彻底和可靠,否则就可能给用户带来很大的卫生和安全隐患。
 
紫外增强Si光电探测器具有技术成熟、紫外波段响应度较高的优点,但是需要复杂的滤光结构,甚至难以实现。第三代半导体紫外传感器方面,基于新型宽禁带半导体材料(如: GaN、SiC)的紫外感光芯片具有显著的潜在应用优势,是世界各主要国家研发的重点。
 
在近日由长治市人民政府、国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)和山西云时代技术有限公司共同主办的“第二届紫外LED长治产业发展峰会”上,南京大学教授陆海分享了第三代半导体紫外传感器技术及产业化推广与应用情况。
陆海
氧化镓,金刚石,氮化硼等宽禁带材料成熟度相对低,禁带宽度偏大。GaN基半导体是制备蓝光及白光发光二极管和新一代电力电子器件的骨干材料;同时,GaN基半导体还是制备紫外传感器的优选材料。近年来半导体照明产业的高速发展,为GaN基紫外传感器的产业化打下了良好的产业链基础。
 
SiC是间接带隙半导体,不能做发光器件,但仍适合做光探测器件。得益于SiC功率电子器件的产业化投入,SiC衬底和器件工艺技术日益成熟。III族氮化物半导体材料的禁带宽度连续可调,在不加滤光片条件下,可实现UVA、UVB、UVC、UVV等细分谱段紫外传感器,适合于多种不同应用场景。基于SiC和GaN的常规结构紫外探测器已经实现产业化,被广泛应用于环境监控、火焰探测、紫外固化和紫外消毒设备的辐照剂量监控等领域。
 
现有SiC和GaN紫外探测器在紫外汞灯和紫外脉冲激光的长期照射下均体现出良好稳定性。相比之下,传统Si光电探测器在强紫外辐照下衰减较快。
 
紫外传感器市场份额不断上升
在全球光电传感器市场中,紫外传感器的市场份额虽然较可见光和红外探测器的市场份额要小,但预计未来市场总额不断上升,应用领域遍布在工业、环境、食品、电力和医药卫生各个领域。
 
新思界《2019-2024年中国紫外探测器行业市场深度调研及发展前景预测报告》声称预计到2022年,我国紫外探测器行业需求规模将增长至8.44亿元。
 
从应用上来看,有很多典型应用,比如日照紫外线指数监控,有各式日照紫外指数监测设备。据国际IFSA组织的市场研究报告,38%的受访者希望智能手机上能够集成日照紫外线指数传感器,相应紫外探测器的市场需求及其庞大。 三星Note手机、三星Gear S手环微软手环上均已集成紫外传感器。
 
紫外消毒辐射剂量测量方面,紫外线灭菌具有无色无味无化学物质遗留的优点,在食品、水处理和空气净化领域代替传统的氯、臭氧杀菌技术已经成为发展趋势。 但是,要想安全可靠地使用紫外线进行灭菌,必须使用紫外传感器对紫外线辐射剂量进行监控。紫外传感芯片对防止“紫外泄漏”和实现家电的智能化有重要意义。
 
紫外固化过程工艺监控方面,紫外固化工艺在半导体芯片制程、现代化工、涂料和印刷行业具有举足轻重的地位,已经触及到普通人生活的各个层面,产业规模庞大。由于紫外固化过程必须保证精准,紫外辐射强度的在线监测已经成为产业发展趋势。
 
在线水质和大气污染物检测领域,传统水质检测技术主要是基于电化学分析或化学染色技术,不仅需要专人维护,而且存在废液处理问题。这样的系统价格昂贵,无法直接安装在饮水机等家用终端设备上。随着高性能紫外感光芯片的出现,基于紫外吸收光谱方法的水质在线检测技术日益成熟。
 
中国的净水器年销量约为1500万台,且随着人们健康意识的增强,净水机市场呈现爆炸性增长。城市管网的水质监测布控已经逐渐启动和推广,在线实时监测是实现“大数据”智能布控的核心技术保障。
 
高压线紫外电晕/电弧检测应用方面,现有的弧光和电晕监测方案或者不够灵敏,或者过于昂贵,难以大规模推广。紫外传感技术是高压线电弧光和电晕监测的最优方案!其大规模推广的基础是高性能紫外传感芯片。仅苏州地区10KV以上配电柜就达10000套以上,大规模实时布控和无线联网是未来发展方向。
 
此外,还有高灵敏度紫外成像应用等。日盲紫外探测器及其成效阵列在天基、空载、及舰载预警系统;红外/紫外双色制导等国防领域具有重要应用。日盲深紫外探测器在军工领域特殊应用也具有优势,240-280nm波段的太阳光在穿过大气层时几乎完全被大气臭氧层吸收,地表该波段无太阳背景辐射,犹如天然“暗室”,探测到的任何信号都起源于目标,信号识别具有独特优势。
 
陆海表示,由于优异的材料性能,以III族氮化物和SiC为代表的宽禁带半导体是制备紫外传感器件的优选材料。常规结构GaN基和SiC紫外传感器已经达到产业化水平,并在不断拓展新型应用。由于材料成熟度较高,SiC紫外单光子探测器已经可以实现较好的性能。此外,宽禁带半导体紫外探测技术正快速向“成像阵列” 方向发展。
 
南京大学是我国第三代半导体领域的主要研究单位之一,近二十年来,南京大学团队在郑有炓院士和张荣校长的领导下,积极开展宽禁带半导体材料的外延生长、发光器件、功率器件和紫外传感器件等方面研究,具备了良好的研究积累。南京大学团队在国内首先实现了SiC紫外单光子探测器,这一突破将会对我国相关领域的技术进步起到推动作用。
 
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