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疫情防控與深紫外LED技術 | 前沿

發布:owyrraws 瀏覽:102次

  當前,新型冠狀病毒仍在持續,從防控的角度,各方面專家都給了很多的意見,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,這里紫外線需要達到一定的強度和一定的時間。如果照射的強度很大的話,時間也可以大大縮短。

  根據目前最新的研究結果,在264nm附近,紫外線的殺菌效果可能會更高。而且紫外線具有廣譜殺菌的特點,不管是細菌類、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,紫外線殺菌有一個好處就是照完之后,關掉紫外線就沒有了,沒有化學過程的參與和污染。

  一、紫外LED光源的優勢

  新型紫外光源主要是基于寬禁帶半導體材料,相比傳統光源,是一種冷光源,也是一種未來發展趨勢。

  通過調節AlGaN材料中的Al組分,可實現LED發光波長在200-365nm之間任意可調,覆蓋了UV-A至UV-C的廣闊波段。相比傳統汞燈的紫外光源,AlGaN材料做紫外LED光源的具有工作電壓低,耗能小;瞬時開關、多次開關不影響壽命;理論壽命長;不含汞,環保安全;小巧便攜、易于設計等優點。

  二、紫外LED應用范圍廣泛

  紫外LED對于各種各樣的病菌、病毒,包括新型冠狀病毒都可以實現高效的殺滅。這種殺菌功能應用范圍非常廣,日常生活的各個方面都可以用上它,比如飲用水,要保證無菌、無毒的健康安全。高鐵、飛機、火車站等公共環境里,希望空氣更加衛生、安全,這些場景里,殺菌是可以發揮作用的。

  除此之外,還有很多的場景都可以用到這種紫外殺菌消毒,包括醫院、污水處理廠、食品廠、奶制品廠、釀酒廠、飲料廠等各個環節里,應用環境非常廣泛。

  紫外LED的個頭非常小巧,可以催生出一些不同于傳統汞燈的應用需求。比如目前已經出現的便攜式的電子消毒產品、電梯扶手殺菌機、掃地機器人等。這是傳統紫外光源很難應用的地方,恰恰是紫外LED可以帶來的增量新興市場,這些增量市場很可能遠大于其他傳統應用市場。

  實際上,紫外光源的應用遠不止殺菌消毒一方面。在其他很多領域,包括生化探測、殺菌醫療、聚合物固化及工業光催化等諸多領域有著廣闊的應用前景,未來有可能催生出不同于照明的新興萬億產業。

  三、深紫外LED外延芯片技術現狀與難點

  紫外LED的前景非常光明,不過技術狀態有待提升。目前,UVA LED已比較成熟,EQE可達到50-60%,未來更多工作聚焦于應用系統層面的開發。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,商業化產品基本在1%~3%。

  所以如果要講紫外LED,需要明確說清楚是UVA的近紫外,還是UVB、UVC的深紫外,這兩種產品形態對應的應用差別是非常大的。深紫外LED產品,目前基本上轉換效率都是在1%~3%,比較低。

  之所以紫外LED量子效率低,從根本上來說是材料限制了發光效率,主要因素包括外延材料質量差、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 問題的根本。

  四、深紫外LED外延芯片研究進展

  紫外LED材料跟襯底密切相關。目前藍寶石襯底材料是最常用的,如何把位錯密度降下來,是做材料或者是做外延的一個核心問題。目前國內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密度。

  其中最重要的一項就是納米圖形藍寶石襯底(NPSS)技術,一是通過這種方法,可以降低材料的位錯密度,提高材料質量,同時有助于緩解應力等問題。另一方面,這種技術對于紫外LED出光效率低的問題也有很大改善。綜合來看,NPSS技術未來會成為產業的一個主流技術。

  AlN外延中溫插入層技術,是探索性的一個方法,具有釋放應力、阻擋位錯的作用。

  對于AlGaN材料,P型摻雜也是難題,對于這個問題,也有很多的方法探討,比較看好pAlGaN極化摻雜技術對于紫外光源的應用。

  深紫外LED的高鋁組分材料帶來了一系列的問題,從量子阱等結構設計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,通過實驗室研究,相信可以應用到產業化中。

  目前也在探索把納米技術或者說微納技術應用到紫外LED中。

  相信未來三到五年時間,紫外LED的電光轉換效率應該會提升到超過15%,乃至達到20%以上。可以達到和汞燈相比擬的程度。要實現這個目標,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、封裝技術等各個方面技術的采用。

  總體上,紫外LED的技術研發在過去兩三年之內,因為受到越來越多的關注,研發進展比較快。隨著更多的人加入紫外LED的研究或者產業當中,相信未來紫外LED技術將是加速進步的狀態。

  五、深紫外LED產業化及挑戰

  依托于中科院長期紫外LED研究技術的積累,中科院推動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體技術研究院有限公司,目前主要聚焦于深紫外LED芯片產品的研發以及產業化,已經實現了從UVA到UVC全波段產品的生產。

  對于產業化,不僅需要解決技術研發的一些問題,同時還有很多產業化的工程性問題。

  深紫外LED產業的關鍵瓶頸在于外延,對于目前深紫外LED產業化是一個首當其沖的瓶頸問題,亟需深紫外MOCVD的支撐。

  針對這個問題,中科潞安結合自主研制的MOCVD的設備開展深紫外LED外延生長,目前取得了不錯的進展。核心裝備與關鍵工藝研發結合,未來可能會是深紫外LED產業發展的一個路徑。

  六、總結與展望

  新型冠狀病毒事件引發了大眾對于深紫外殺菌消毒的關注和認識。后續會促進紫外LED產業的發展,面臨快速發展機遇。

  目前深紫外LED應用端已經有很多業界同仁在做應用產品。深紫外LED在技術層面仍面臨從核心材料到器件工藝的許多挑戰,產業化技術的突破和進步是市場發展的根基。深紫外LED產業的發展壯大需要上下游各方的團結努力,協作共贏。


  (羅君摘編自《中國半導體照明網》)

總編/沈 虹 執行總編/程俊杰 程 鋒

責編/張 柯 校對/劉日華

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