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疫情防控与深紫外LED技术 | 前沿

发布:owyrraws 浏览:256次

  当前,新型冠状病毒仍在持续,从防控的角度,各方面专家都给了很多的意见,控制病毒的传播,采用各种方式消灭病毒。官方提供的杀菌消毒的方式包括直接高温杀毒,用75%比例的酒精等。此外,紫外线杀菌消毒也是明确被认可的。

  从第五版新型冠状病毒的诊疗方案中,我们可以看到,使用强度大于每平方厘米90微瓦的紫外线照射光照密度30分钟。可以杀灭SARS病毒,而新型冠状病毒与SARS病毒有很多的相似性。同属于单股正链RNA病毒,所以理论上科学合理使用紫外线,可以有效灭活冠状病毒。但要注意,这里紫外线需要达到一定的强度和一定的时间。如果照射的强度很大的话,时间也可以大大缩短。

  根据目前最新的研究结果,在264nm附近,紫外线的杀菌效果可能会更高。而且紫外线具有广谱杀菌的特点,不管是细菌类、病毒类还是水藻类,孢子类等各种微生物,杀灭效果都是非常显著的,效率非常高。相比于其他杀菌方式,紫外线杀菌有一个好处就是照完之后,关掉紫外线就没有了,没有化学过程的参与和污染。

  一、紫外LED光源的优势

  新型紫外光源主要是基于宽禁带半导体材料,相比传统光源,是一种冷光源,也是一种未来发展趋势。

  通过调节AlGaN材料中的Al组分,可实现LED发光波长在200-365nm之间任意可调,覆盖了UV-A至UV-C的广阔波段。相比传统汞灯的紫外光源,AlGaN材料做紫外LED光源的具有工作电压低,耗能小;瞬时开关、多次开关不影响寿命;理论寿命长;不含汞,环保安全;小巧便携、易于设计等优点。

  二、紫外LED应用范围广泛

  紫外LED对于各种各样的病菌、病毒,包括新型冠状病毒都可以实现高效的杀灭。这种杀菌功能应用范围非常广,日常生活的各个方面都可以用上它,比如饮用水,要保证无菌、无毒的健康安全。高铁、飞机、火车站等公共环境里,希望空气更加卫生、安全,这些场景里,杀菌是可以发挥作用的。

  除此之外,还有很多的场景都可以用到这种紫外杀菌消毒,包括医院、污水处理厂、食品厂、奶制品厂、酿酒厂、饮料厂等各个环节里,应用环境非常广泛。

  紫外LED的个头非常小巧,可以催生出一些不同于传统汞灯的应用需求。比如目前已经出现的便携式的电子消毒产品、电梯扶手杀菌机、扫地机器人等。这是传统紫外光源很难应用的地方,恰恰是紫外LED可以带来的增量新兴市场,这些增量市场很可能远大于其他传统应用市场。

  实际上,紫外光源的应用远不止杀菌消毒一方面。在其他很多领域,包括生化探测、杀菌医疗、聚合物固化及工业光催化等诸多领域有着广阔的应用前景,未来有可能催生出不同于照明的新兴万亿产业。

  三、深紫外LED外延芯片技术现状与难点

  紫外LED的前景非常光明,不过技术状态有待提升。目前,UVA LED已比较成熟,EQE可达到50-60%,未来更多工作聚焦于应用系统层面的开发。UVB和UVC波段深紫外LED的外量子效率还比较低,EQE普遍在10%以下,商业化产品基本在1%~3%。

  所以如果要讲紫外LED,需要明确说清楚是UVA的近紫外,还是UVB、UVC的深紫外,这两种产品形态对应的应用差别是非常大的。深紫外LED产品,目前基本上转换效率都是在1%~3%,比较低。

  之所以紫外LED量子效率低,从根本上来说是材料限制了发光效率,主要因素包括外延材料质量差、电注入效率低,光提取效率低等。从材料入手是解决深紫外LED 问题的根本。

  四、深紫外LED外延芯片研究进展

  紫外LED材料跟衬底密切相关。目前蓝宝石衬底材料是最常用的,如何把位错密度降下来,是做材料或者是做外延的一个核心问题。目前国内外都在研究和探讨各种各样的方法,希望能有效的降低材料里的缺陷和位错密度。

  其中最重要的一项就是纳米图形蓝宝石衬底(NPSS)技术,一是通过这种方法,可以降低材料的位错密度,提高材料质量,同时有助于缓解应力等问题。另一方面,这种技术对于紫外LED出光效率低的问题也有很大改善。综合来看,NPSS技术未来会成为产业的一个主流技术。

  AlN外延中温插入层技术,是探索性的一个方法,具有释放应力、阻挡位错的作用。

  对于AlGaN材料,P型掺杂也是难题,对于这个问题,也有很多的方法探讨,比较看好pAlGaN极化掺杂技术对于紫外光源的应用。

  深紫外LED的高铝组分材料带来了一系列的问题,从量子阱等结构设计上改善或者提升量子效率,芯片层面提高光提取效率,出光效率,是很重要的一部分研究工作。

  以上这些方法,通过实验室研究,相信可以应用到产业化中。

  目前也在探索把纳米技术或者说微纳技术应用到紫外LED中。

  相信未来三到五年时间,紫外LED的电光转换效率应该会提升到超过15%,乃至达到20%以上。可以达到和汞灯相比拟的程度。要实现这个目标,不仅要材料提升,也需要包括芯片层面,比如透明电极、热管理、封装技术等各个方面技术的采用。

  总体上,紫外LED的技术研发在过去两三年之内,因为受到越来越多的关注,研发进展比较快。随着更多的人加入紫外LED的研究或者产业当中,相信未来紫外LED技术将是加速进步的状态。

  五、深紫外LED产业化及挑战

  依托于中科院长期紫外LED研究技术的积累,中科院推动成立了山西中科潞安紫外光电科技有限公司和山西中科潞安半导体技术研究院有限公司,目前主要聚焦于深紫外LED芯片产品的研发以及产业化,已经实现了从UVA到UVC全波段产品的生产。

  对于产业化,不仅需要解决技术研发的一些问题,同时还有很多产业化的工程性问题。

  深紫外LED产业的关键瓶颈在于外延,对于目前深紫外LED产业化是一个首当其冲的瓶颈问题,亟需深紫外MOCVD的支撑。

  针对这个问题,中科潞安结合自主研制的MOCVD的设备开展深紫外LED外延生长,目前取得了不错的进展。核心装备与关键工艺研发结合,未来可能会是深紫外LED产业发展的一个路径。

  六、总结与展望

  新型冠状病毒事件引发了大众对于深紫外杀菌消毒的关注和认识。后续会促进紫外LED产业的发展,面临快速发展机遇。

  目前深紫外LED应用端已经有很多业界同仁在做应用产品。深紫外LED在技术层面仍面临从核心材料到器件工艺的许多挑战,产业化技术的突破和进步是市场发展的根基。深紫外LED产业的发展壮大需要上下游各方的团结努力,协作共赢。


  (罗君摘编自《中国半导体照明网》)

总编/沈 虹 执行总编/程俊杰 程 锋

责编/张 柯 校对/刘日华