當(dāng)前，新型冠狀病毒仍在持續(xù)，從防控的角度，各方面專(zhuān)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。官方提供的殺菌消毒的方式包括直接高溫殺毒，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。
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)度和一定的時(shí)間。如果照射的強(qiáng)度很大的話，時(shí)間也可以大大縮短。
根據(jù)目前最新的研究結(jié)果，在264nm附近，紫外線的殺菌效果可能會(huì)更高。而且紫外線具有廣譜殺菌的特點(diǎn)，不管是細(xì)菌類(lèi)、病毒類(lèi)還是水藻類(lèi)，孢子類(lèi)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。
一、紫外LED光源的優(yōu)勢(shì)
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，也是一種未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
通過(guò)調(diào)節(jié)AlGaN材料中的Al組分，可實(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，AlGaN材料做紫外LED光源的具有工作電壓低，耗能小;瞬時(shí)開(kāi)關(guān)、多次開(kāi)關(guān)不影響壽命;理論壽命長(zhǎng);不含汞，環(huán)保安全;小巧便攜、易于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。
二、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，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，未來(lái)有可能催生出不同于照明的新興萬(wàn)億產(chǎn)業(yè)。
三、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。
四、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。
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)，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，NPSS技術(shù)未來(lái)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，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，是很重要的一部分研究工作。
以上這些方法，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)。
五、深紫外LED產(chǎn)業(yè)化及挑戰(zhàn)
依托于中科院長(zhǎng)期紫外LED研究技術(shù)的積累，中科院推動(dòng)成立了山西中科潞安紫外光電科技有限公司和山西中科潞安半導(dǎo)體技術(shù)研究院有限公司,目前主要聚焦于深紫外LED芯片產(chǎn)品的研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從UVA到UVC全波段產(chǎn)品的生產(chǎn)。
對(duì)于產(chǎn)業(yè)化，不僅需要解決技術(shù)研發(fā)的一些問(wèn)題，同時(shí)還有很多產(chǎn)業(yè)化的工程性問(wèn)題。
深紫外LED產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵瓶頸在于外延，對(duì)于目前深紫外LED產(chǎn)業(yè)化是一個(gè)首當(dāng)其沖的瓶頸問(wèn)題，亟需深紫外MOCVD的支撐。
針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，中科潞安結(jié)合自主研制的MOCVD的設(shè)備開(kāi)展深紫外LED外延生長(zhǎng)，目前取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。核心裝備與關(guān)鍵工藝研發(fā)結(jié)合，未來(lái)可能會(huì)是深紫外LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)路徑。
六、總結(jié)與展望
新型冠狀病毒事件引發(fā)了大眾對(duì)于深紫外殺菌消毒的關(guān)注和認(rèn)識(shí)。后續(xù)會(huì)促進(jìn)紫外LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，面臨快速發(fā)展機(jī)遇。
目前深紫外LED應(yīng)用端已經(jīng)有很多業(yè)界同仁在做應(yīng)用產(chǎn)品。深紫外LED在技術(shù)層面仍面臨從核心材料到器件工藝的許多挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的突破和進(jìn)步是市場(chǎng)發(fā)展的根基。深紫外LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大需要上下游各方的團(tuán)結(jié)努力，協(xié)作共贏。
(羅君摘編自《中國(guó)半導(dǎo)體照明網(wǎng)》)
總編/沈 虹 執(zhí)行總編/程俊杰 程 鋒
責(zé)編/張 柯 校對(duì)/劉日華