轉(zhuǎn)自：中國(guó)照明網(wǎng)、極智頭條

當(dāng)前，新型冠狀病毒仍在持續(xù)，對(duì)產(chǎn)業(yè)及企業(yè)造成了一定程度的影響，也牽動(dòng)著各行各業(yè)人們的心。在此形勢(shì)下，在國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟指導(dǎo)下，開(kāi)啟疫情期間知識(shí)分享，幫助企業(yè)解答疑惑。助力我們LED照明企業(yè)和產(chǎn)業(yè)共克時(shí)艱!

本期，我們邀請(qǐng)到中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所研究員、山西中科潞安紫外光電科技有限公司副總經(jīng)理閆建昌，帶來(lái)了關(guān)于“疫情防控與深紫外LED技術(shù)”的精彩主題分享，以下為文字實(shí)錄：

非常感謝國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟邀請(qǐng)我來(lái)做這個(gè)分享報(bào)告。新型冠狀病毒來(lái)勢(shì)兇猛，對(duì)我們的日常生活、工業(yè)生產(chǎn)等各方面造成了很大的沖擊影響。我本人的專業(yè)領(lǐng)域是紫外LED的外延材料和芯片，因?yàn)橐恢睆氖逻@方面的工作，借此機(jī)會(huì)，分享一下個(gè)人的思考和認(rèn)識(shí)，希望能對(duì)大家有所幫助。

一、新冠病毒防控，紫外殺菌消毒被認(rèn)可

目前情況來(lái)看，不管是確診還是疑似病例，影響的人非常多。新型冠狀病毒的防控，包括治療方面，取得了很大進(jìn)展。從防控的角度，各方面專家都給了很多的意見(jiàn)，控制病毒的傳播，采用各種方式消滅病毒。

從官方給大家提供的殺菌消毒的方式里，可以了解到很多有效的方法。包括直接高溫殺毒，用75%比例的酒精等。此外，紫外線殺菌消毒也是明確被認(rèn)可的，紫外殺菌消毒從原理上來(lái)說(shuō)沒(méi)有問(wèn)題，但是需要注意兩點(diǎn)，能夠起到殺滅冠狀病毒或者殺菌消毒作用的紫外線，首先需要紫外線的波長(zhǎng)合適，叫做適宜的波段。同時(shí)也需要紫外線的能量要足夠，也就是紫外線的劑量要足夠。

從第五版新型冠狀病毒的診療方案中，我們可以看到，使用強(qiáng)度大于每平方厘米90微瓦的紫外線照射光照密度30分鐘可以殺滅SARS病毒，而新型冠狀病毒與SARS病毒有很多的相似性。同屬于單股正鏈RNA病毒，所以理論上科學(xué)合理使用紫外線，可以有效滅活冠狀病毒。但要注意，這里紫外線需要達(dá)到一定的強(qiáng)度，而且需要達(dá)到一定的時(shí)間。實(shí)際上，如果說(shuō)照射的強(qiáng)度很大的話，時(shí)間也可以大大縮短。

紫外殺菌并不是特別新鮮的事情，迄今為止，已經(jīng)有近百年的歷史。早在1903年，Niels Ryberg Finsen利用紫外線實(shí)現(xiàn)治療皮膚病，發(fā)表相關(guān)專著，并獲得了諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，歷史已久。

紫外線之所以能夠?qū)崿F(xiàn)高效的殺滅病毒病菌，主要是從根本上通過(guò)破壞DNA來(lái)滅菌。因?yàn)樽贤饩€的光子能量非常高，可以破壞細(xì)菌病毒的DNA鏈條，而從根源上來(lái)殺滅細(xì)菌、病毒。

不同波段紫外線對(duì)于細(xì)菌，病毒的殺滅效果是有差別的。傳統(tǒng)用的紫外汞燈可能是253.7或者254納米的，實(shí)際上最有效的波段可能不止是在254納米。根據(jù)目前最新的研究結(jié)果，在264納米附近，紫外線的殺菌效果可能會(huì)更高。

基于這個(gè)原理，可以說(shuō)紫外線具有廣譜殺菌的特點(diǎn)，不管是細(xì)菌類、病毒類還是水藻類，孢子類等各種微生物，殺滅效果都是非常顯著的，效率非常高。相比于其他殺菌方式，紫外線殺菌有一個(gè)好處就是照完之后，關(guān)掉紫外線就沒(méi)有了，沒(méi)有化學(xué)過(guò)程的參與和污染。

紫外線如果要實(shí)現(xiàn)有效的殺菌消毒，需要足夠的能量，包括要足夠的照射強(qiáng)度和足夠的時(shí)間，同時(shí)需要合適的波段。根據(jù)波長(zhǎng)，從長(zhǎng)到短，紫外波段分為UVA、UVB和UVC，其中UVC是波長(zhǎng)最短，能量最高的一個(gè)波段，我們經(jīng)常稱其為深紫外波段。實(shí)際上，對(duì)于殺菌消毒，真正最有效的就是UVC。

不管是UVA還是UVC這些波段，都可以使用半導(dǎo)體材料來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的紫外發(fā)光。

二、紫外LED光源的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)紫外光源有低壓/中壓汞燈、微波無(wú)極汞燈等。新型紫外光源，主要是基于寬禁帶半導(dǎo)體材料，相比傳統(tǒng)光源，是一種冷光源，也是紫外光源一種未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

通過(guò)調(diào)節(jié)AlGaN材料中的AI組分，可以實(shí)現(xiàn)LED發(fā)光波長(zhǎng)在200-365nm之間任意可調(diào)，覆蓋了UV-A至UV-C的廣闊波段。相比傳統(tǒng)汞燈的紫外光源，這是AlGaN半導(dǎo)體材料做紫外LED光源的優(yōu)勢(shì)。

相比于傳統(tǒng)紫外光源，AlGaN基紫外LED還具有小巧便攜、環(huán)保安全、易于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的一些光源設(shè)計(jì)。

此外，紫外LED最重要的優(yōu)點(diǎn)是不采用汞材料，無(wú)汞環(huán)保。根據(jù)水俁公約，從2020年起，締約國(guó)禁止生產(chǎn)及出口含汞產(chǎn)品。當(dāng)然不會(huì)一下子取締汞燈，目前紫外LED在發(fā)光效率等方面還無(wú)法完全取代汞燈。但是長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著紫外LED的性能逐步提升，未來(lái)它的發(fā)光效率有望超過(guò)汞燈。從環(huán)保角度，逐步推廣使用紫外LED應(yīng)該是大勢(shì)所趨。

三、紫外LED應(yīng)用范圍廣泛

紫外LED對(duì)于各種各樣的病菌、病毒，包括新型冠狀病毒都可以實(shí)現(xiàn)高效的殺滅。這種殺菌功能應(yīng)用范圍非常廣，日常生活的各個(gè)方面都可以用上它，比如飲用水，要保證無(wú)菌，無(wú)毒的健康安全。高鐵、飛機(jī)、火車(chē)站等公共環(huán)境里，希望空氣更加衛(wèi)生、安全，這些場(chǎng)景里，殺菌是可以發(fā)揮作用的。

除此之外，還有很多的場(chǎng)景都可以用到這種紫外殺菌消毒，用來(lái)給我們提供安全衛(wèi)生的環(huán)境，包括醫(yī)院、污水處理廠、食品廠、奶制品廠、釀酒廠、飲料廠等各個(gè)環(huán)節(jié)里，應(yīng)用環(huán)境非常廣泛。

紫外LED的個(gè)頭非常小巧，可以催生出一些不同于傳統(tǒng)汞燈的應(yīng)用需求。比如目前已經(jīng)出現(xiàn)的便攜式的電子消毒產(chǎn)品、電梯扶手殺菌機(jī)、掃地機(jī)器人等。這是傳統(tǒng)紫外光源很難應(yīng)用的地方，恰恰是紫外LED可以帶來(lái)的增量新興市場(chǎng),這些增量市場(chǎng)很可能遠(yuǎn)大于其他傳統(tǒng)應(yīng)用市場(chǎng)。

實(shí)際上，紫外光源的應(yīng)用遠(yuǎn)不止殺菌消毒一方面。在其他很多領(lǐng)域，包括生化探測(cè)、殺菌醫(yī)療、聚合物固化及工業(yè)光催化等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

紫外LED的前景，從我個(gè)人的角度非常樂(lè)觀。未來(lái)紫外LED，從家居到工業(yè)，方方面面都可能用得到。未來(lái)有可能催生出不同于照明的新興萬(wàn)億產(chǎn)業(yè)。

四、深紫外LED外延芯片技術(shù)現(xiàn)狀與難點(diǎn)

紫外LED的前景非常光明，不過(guò)技術(shù)狀態(tài)有待提升。目前，UVA LED已比較成熟，EQE可達(dá)到50-60%，未來(lái)更多工作聚焦于應(yīng)用系統(tǒng)層面的開(kāi)發(fā)。UVB和UVC波段深紫外LED的外量子效率還比較低，EQE普遍在10%以下，商業(yè)化產(chǎn)品基本在1%~3%。

所以如果要講紫外LED，需要明確說(shuō)清楚是UVA的近紫外，還是UVB、UVC的深紫外，這兩種產(chǎn)品形態(tài)對(duì)應(yīng)的應(yīng)用差別是非常大的。深紫外LED產(chǎn)品，目前基本上轉(zhuǎn)換效率都是在1%~3%，比較低。

之所以紫外LED量子效率低，從根本上來(lái)說(shuō)是材料限制了發(fā)光效率，主要因素包括外延材料質(zhì)量差、電注入效率低，光提取效率低等。從材料入手是解決深紫外LED 問(wèn)題的根本。

五、深紫外LED外延芯片研究進(jìn)展

紫外LED材料跟襯底密切相關(guān)。目前藍(lán)寶石襯底材料是最常用的，如何把位錯(cuò)密度降下來(lái)，是做材料或者是做外延的一個(gè)核心問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外都在研究和探討各種各樣的方法，希望能有效的降低材料里的缺陷和位錯(cuò)密度。

個(gè)人認(rèn)為其中最重要的一項(xiàng)就是納米圖形藍(lán)寶石襯底(NPSS)技術(shù)，重要之處在于兩個(gè)方面，一是通過(guò)這種方法，可以降低材料的位錯(cuò)密度，提高材料質(zhì)量，同時(shí)有助于緩解應(yīng)力等問(wèn)題。另一方面，這種技術(shù)對(duì)于紫外LED出光效率低的問(wèn)題也有很大改善。

綜合來(lái)看，納米圖形藍(lán)寶石襯底(NPSS)技術(shù)可以從材料到出光各個(gè)方面來(lái)改善，對(duì)紫外LED的性能有很大的提升作用，未來(lái)我覺(jué)得會(huì)成為產(chǎn)業(yè)的一個(gè)主流技術(shù)。

AlN外延中溫插入層技術(shù)，是探索性的一個(gè)方法，具有釋放應(yīng)力、阻擋位錯(cuò)的作用。

對(duì)于AlGaN材料，P型摻雜也是難題，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，也有很多的方法探討， 個(gè)人角度比較看好pAlGaN極化摻雜技術(shù)對(duì)于紫外光源的應(yīng)用。

深紫外LED的高鋁組分材料帶來(lái)了一系列的問(wèn)題，從量子阱等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上改善或者提升量子效率，芯片層面提高光提取效率，出光效率，是我們很重要的一部分研究工作。

以上這些方法，實(shí)際上不只是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究，相信可以應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化中。

目前也在探索把納米技術(shù)或者說(shuō)微納技術(shù)應(yīng)用到紫外LED中。

相信未來(lái)三到五年時(shí)間，紫外LED的電光轉(zhuǎn)換效率應(yīng)該會(huì)提升到超過(guò)15%，乃至達(dá)到20%以上。可以達(dá)到和汞燈相比擬的程度。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，不僅要材料提升，也需要包括芯片層面，比如透明電極、熱管理、封裝技術(shù)等各個(gè)方面技術(shù)的采用。

總體上，紫外LED的技術(shù)研發(fā)在過(guò)去兩三年之內(nèi)，因?yàn)槭艿皆絹?lái)越多的關(guān)注，研發(fā)進(jìn)展比較快。隨著更多的人加入紫外LED的研究或者產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，相信未來(lái)紫外LED技術(shù)將是加速進(jìn)步的狀態(tài)。

劉、聯(lián)盟積極布局推動(dòng)紫外LED標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)

Q&A：現(xiàn)有紫外殺菌燈國(guó)標(biāo)GB/T 19258-2012《紫外線殺菌燈》，但該標(biāo)準(zhǔn)只針對(duì)傳統(tǒng)光源，請(qǐng)問(wèn)紫外LED光源是否有相關(guān)的國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、要求呢?

閆建昌：這是個(gè)好問(wèn)題，現(xiàn)有的紫外標(biāo)準(zhǔn)都是基于傳統(tǒng)汞燈的，目前紫外LED光源迫切需要從測(cè)試到應(yīng)用的一系列標(biāo)準(zhǔn)。目前從行業(yè)角度，已經(jīng)依托國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(CSA)成立了紫外專委會(huì)，推動(dòng)紫外標(biāo)準(zhǔn)制定的一系列工作，也期待大家一起獻(xiàn)策獻(xiàn)力。

國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標(biāo)委會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)高偉：隨著技術(shù)進(jìn)步、學(xué)科交叉、應(yīng)用融合，不斷催生新的應(yīng)用領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)需要不斷完善。與傳統(tǒng)紫外汞燈相比，紫外LED環(huán)保無(wú)污染，應(yīng)用前景廣泛。

在深紫外殺菌消毒方面，標(biāo)準(zhǔn)化面臨著一系列的挑戰(zhàn)，如紫外汞燈殺菌主要在253.7nm，而UVC LED波長(zhǎng)主要分布在280nm，這為后續(xù)應(yīng)用解決方案帶來(lái)了一系列差異。

為填補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)化空白領(lǐng)域，聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)發(fā)揮團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展了對(duì)計(jì)量、標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)等方面的調(diào)研，積極布局標(biāo)準(zhǔn)化體系，編寫(xiě)了《紫外LED標(biāo)準(zhǔn)化體系報(bào)告》，啟動(dòng)了《紫外LED技術(shù)與應(yīng)用 術(shù)語(yǔ)和定義》、《紫外LED殺菌消毒技術(shù)報(bào)告》，未來(lái)將逐步構(gòu)建匹配UVC LED規(guī)模市場(chǎng)的新的標(biāo)準(zhǔn)化體系。

2014年6月，國(guó)務(wù)院參事室和國(guó)標(biāo)委領(lǐng)導(dǎo)調(diào)研CSA標(biāo)準(zhǔn)化工作時(shí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委總工程師殷明漢表示，CSA是聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化工作的“鮮活樣本”;

2015年6月，CSA獲批國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委首批團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)試點(diǎn)單位;

2016年4月，CSA獲批“中關(guān)村國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化試點(diǎn)示范單位”;

2016年10月，T/CSA 016獲得2016年“中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”二等獎(jiǎng)，是第一個(gè)獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn);

2017年6月，CSA獲批質(zhì)檢總局、科技部、國(guó)標(biāo)委“首批科技成果轉(zhuǎn)化為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)試點(diǎn)工作”單位;

2020年1月，CSA作為聯(lián)合協(xié)作單位，與牽頭單位中科院半導(dǎo)體所等其他9家單位共獲2019年度 “國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)，此項(xiàng)殊榮高度肯定了CSA聯(lián)盟團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)化工作對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的貢獻(xiàn)。