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疫情防控與深紫外LED技術(shù) | 前沿

發(fā)布:owyrraws 瀏覽:1584次

  當(dāng)前,新型冠狀病毒仍在持續(xù),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(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??梢詺鏢ARS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、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。

  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)開關(guān)、多次開關(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??梢赃_(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