當(dāng)前，紫外殺菌技術(shù)有兩大技術(shù)產(chǎn)品形成明顯對比：低氣壓紫外殺菌汞燈產(chǎn)品和深紫外LED產(chǎn)品。

 

低氣壓紫外殺菌汞燈產(chǎn)品壽命8000小時，主波長是殺菌效率高的253．7nm，輻射效率以單端18W為例，在23％以上，功率高的可達(dá)30－40％，且燈的功率從1W到300W，可以滿足不同使用場景的需求，光維持率較高。低氣壓紫外殺菌汞燈分石英管和高硼玻璃兩大類。石英管紫外線殺菌燈是透紫外線最高的材料，可透過90％以上的253．7nm紫外線；紫外線強度大，壽命長，光衰小，殺菌效果好，燈壽命一般大于8000小時。高硼管紫外線殺菌燈的高硼玻璃透253.7nm紫外線只有50％左右；其紫外線輻照強度小，壽命短。

 

低氣壓紫外殺菌汞燈的最大問題是“含汞”，根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署制定的《水俁公約》條款，我國作為《水俁公約》主要締約國之一，積極踐行公約規(guī)定，禁汞步伐有序進(jìn)行。因此，研發(fā)新型技術(shù)產(chǎn)品全面取代低氣壓紫外殺菌汞燈，是勢在必行的事情！

 

深紫外LED產(chǎn)品就是取代低氣壓紫外殺菌汞燈產(chǎn)品的最佳選項。深紫外LED燈不含汞，健康環(huán)保。但是，當(dāng)前的深紫外LED輻射效率低，一般在3％－5％，只有低氣壓紫外殺菌汞燈的1/10，而單位電功率的價格為低壓汞燈的20倍，所以要獲得相同的輻射功率，深紫外LED的成本是低壓汞燈的200倍，在大功率殺菌場合完全無法使用，不過在小功率殺菌場合可以使用。

 

這一幕，和早期LED照明產(chǎn)品取代傳統(tǒng)的節(jié)能燈產(chǎn)品，何其相似！紫外LED產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋新材料、精密設(shè)備、芯片、封裝、醫(yī)療應(yīng)用產(chǎn)品、消費電子產(chǎn)品、凈化產(chǎn)品、工業(yè)用途產(chǎn)品和照明殺菌產(chǎn)品等不同領(lǐng)域，具有小巧便攜、環(huán)保安全、易于設(shè)計等優(yōu)點，未來將形成一個萬億產(chǎn)業(yè)，絕非空話！但紫外LED要想形成一個龐大的產(chǎn)業(yè)，還有相當(dāng)長的路要走！

 

 

深紫外LED才剛剛起步。不同于成熟的藍(lán)光LED，由于紫外LED的核心材料具有更低的In含量和更高的Al含量，這使得外延層缺陷密度高、p-AlGaN材料中空穴濃度低、極化效應(yīng)強、載流子輸運不平衡等問題極為突出。因此，紫外LED的發(fā)光效率仍遠(yuǎn)低于成熟的藍(lán)光LED。當(dāng)發(fā)光波長低于370nm時，紫外LED更是面臨著發(fā)光效率驟降的難題，成為阻礙其大規(guī)模應(yīng)用的最大障礙。

 

2021年以來，技術(shù)研究取得不少進(jìn)展：

 

1、美國南卡羅來納大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)出全球最小、最亮的深紫外LED，芯片尺寸僅為5微米，波長為281nm。通過本次研究，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，該互聯(lián)微像素陣列的外量子效率不會隨著像素尺寸縮小而降低，因此，研究者們有信心在不影響器件性能的條件下，開發(fā)出更小尺寸的深紫外LED。目前，南卡羅來納大學(xué)研究團(tuán)隊正在研究增強光提取效率的工藝技術(shù)，期望能夠利用獨立電子來控制這些像素。本次的研究突破有助于推動UVC LED在要求高劑量深紫外照射的應(yīng)用中更好地與汞燈競爭。

 

2、廣東省科學(xué)院半導(dǎo)體研究所先進(jìn)材料平臺從材料生長和器件設(shè)計兩方面對紫外LED展開了較系統(tǒng)深入的技術(shù)研發(fā)，成功研制出高內(nèi)量子效率的紫外LED器件，使得發(fā)光波長在368nm的紫外LED器件發(fā)光效率比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了101.6%，此項研究將會為高效率的全固態(tài)紫外光源的研發(fā)開辟新路徑。

 

3、中國臺灣陽明交通大學(xué)郭浩中教授團(tuán)隊使用芬蘭領(lǐng)先供應(yīng)商Picosun ALD設(shè)備沉積出鈍化層和阻隔膜，使UVC LED的使用壽命延長、可靠性增強，ALD鈍化保護(hù)技術(shù)可以改善LED昂貴的封裝程序進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。

 

4、目前AlN/藍(lán)寶石是構(gòu)建基于AlGaN的DUV LED的最優(yōu)選模板，但AlN和藍(lán)寶石之間的晶格失配導(dǎo)致藍(lán)寶石上的AlN外延缺陷密度高，這也一直是基于AlGaN的DUV LED的主要性能瓶頸。武漢大學(xué)的研究人員研究發(fā)現(xiàn)交替的V/III比超晶格在藍(lán)寶石襯底上可生長高質(zhì)量的AlN薄膜。日本三重大學(xué)研究人員通過熱循環(huán)退火提高藍(lán)寶石上氮化鋁模板質(zhì)量，降低了AlN薄膜中的位錯密度。在低成本，高質(zhì)量的襯底上制造該器件有望提高其輸出功率，有助于增加深紫外LED的前景。

 

5、Nitride成功開發(fā)出超微縮UV LED芯片的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，芯片的尺寸為0.012mm×0.024mm，與一粒面粉的大小相近。在直徑為4英寸的晶圓上可切割出1400萬顆芯片，數(shù)量是傳統(tǒng)芯片的四倍。該技術(shù)有望降低生產(chǎn)制造成本。

 

產(chǎn)業(yè)化技術(shù)方面，首爾偉傲世275nm UVC LED的光效率已達(dá)到20mW且已穩(wěn)定量產(chǎn)出貨。中科潞安制備出的大功率深紫外LED芯片，發(fā)光功率超過40mW，并開發(fā)出發(fā)光功率超過1W的深紫外LED模組，模組壽命超過5000小時。相對市面平均WPE (wall-plug efficiency)僅2-3%的水平，國星光電宣稱UVC LED關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)率先突破，中小功率UVC LED WPE已提升至5.6%，深紫科技也宣稱深紫UVC平均WPE可達(dá)到5%以上，提升一倍有余，可輕松實現(xiàn)12mW@40mA、30mW@100mA、100mW@350mA的UVC光功率輸出。

 

當(dāng)前，盡管在技術(shù)研究方面取得不少進(jìn)展，但深紫外LED無論是功率、量能轉(zhuǎn)化、材料、設(shè)備還是成本價格，依然存在諸多技術(shù)瓶頸，亟需技術(shù)研發(fā)人員進(jìn)一步取得突破。

 

 

新冠疫情加速紫外殺菌消毒市場培育，同時對深紫外LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了極大的推動作用，吸引更多的企業(yè)投資深紫外LED產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前，已有眾多企業(yè)如三安光電、中科潞安、木林森、青島杰生、晶能光電、國星光電、鴻利秉一、光莆股份、深紫科技、華引芯等在深紫外LED領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品生產(chǎn)。應(yīng)用端，深紫外LED殺菌消毒應(yīng)用在白色家電、機器人、智能馬桶、母嬰護(hù)理、個人健康穿戴等領(lǐng)域新品不斷，冷鏈物流、行李安檢、機場扶梯等場景更是引發(fā)聚焦。木林森、中科潞安、光莆、OTSAW等相繼推出UVC LED消殺機器人，至芯半導(dǎo)體推出全自動冷鏈物品消毒系統(tǒng)、中科潞安自主設(shè)計研發(fā)首臺UVC LED包裹消毒機投入使用、國內(nèi)外多個機場自動扶梯導(dǎo)入UVC LED殺菌消毒……同時，空氣殺菌加速商業(yè)化，空氣凈化器應(yīng)用多樣。水殺菌領(lǐng)域市場活躍，慧億科技、青島杰森、鴻利秉一、升譜光電、拓展光電等供應(yīng)鏈廠商布局積極。

 

值得注意的是，2020年火爆的行情沒有得到延續(xù)，受疫情、產(chǎn)能、技術(shù)等多方面因素影響，2021年市場逐步回歸理性，深紫外LED芯片價格下降，特別是小功率芯片價格，跌幅慘烈！不少企業(yè)，從UVC轉(zhuǎn)向UVA，但與此同時，仍有不少投資者、廠商強勢介入UVC領(lǐng)域。

 

 

由于深紫外LED殺菌尚處于起步階段，目前沒有國家強制性的實施標(biāo)準(zhǔn)，僅參考傳統(tǒng)低壓紫外殺菌汞燈的標(biāo)準(zhǔn)，兩者技術(shù)特點的差異又決定了不可能照搬照用。因此，國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSA）標(biāo)準(zhǔn)化委員會組織編寫了《紫外LED標(biāo)準(zhǔn)化體系報告》，啟動了《紫外LED技術(shù)與應(yīng)用術(shù)語和定義》《紫外LED殺菌消毒技術(shù)報告》等標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。2021年以來，標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)工作取得不少進(jìn)展：

 

1、《光催化用UVA LED模塊技術(shù)要求》團(tuán)隊標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。該技術(shù)要求規(guī)定了光催化用UVA LED模塊技術(shù)要求，包括術(shù)語和定義、技術(shù)要求和試驗方法，適用于峰值波長小于370 nm的UVA LED模塊作為光源的光催化凈化應(yīng)用，以及空氣、水的凈化，應(yīng)用場景包括但不限于家庭、商業(yè)、工業(yè)、醫(yī)院等（目前針對光催化凈化領(lǐng)域應(yīng)用的UVA LED，峰值波長370nm的外量子效率研發(fā)水平達(dá)到40%左右，在光催化應(yīng)用方面已經(jīng)達(dá)到可以取代傳統(tǒng)汞紫外光源的要求）。

 

2、《室內(nèi)紫外LED誘蚊燈性能要求》標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了紫外LED誘蚊燈的技術(shù)要求和試驗方法，適用于各種室內(nèi)場所光源峰值波長范圍為365nm-400nm的紫外LED誘蚊燈，氣味、溫度、二氧化碳等輔助LED紫外誘蚊方式的誘蚊燈，可以參考使用，該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布有助于進(jìn)一步規(guī)范室內(nèi)紫外LED誘蚊燈的產(chǎn)品質(zhì)量，推動市場良性競爭。

 

3、《UVC LED飲用水殺菌裝置》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)公開征求意見。據(jù)了解，該標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了UVC LED飲用水殺菌裝置，即采用波長范圍為260nm-280nm的紫外線發(fā)光二極管單元、驅(qū)動電源、控制單元等所組成的應(yīng)用于飲用水處理的殺菌裝置。另外，在技術(shù)要求中，該標(biāo)準(zhǔn)對使用條件、外觀、結(jié)構(gòu)、材料、衛(wèi)生安全、凈水流量、殺菌效果、出水水質(zhì)、功能性壽命、環(huán)保等9個方面進(jìn)行相應(yīng)的要求，確保飲用水殺菌品質(zhì)。

 

4、由華引芯牽頭、光電工研院等參與的《UVC LED光源消毒技術(shù)規(guī)范》獲批立項，接下來將邀請湖北省業(yè)內(nèi)權(quán)威機構(gòu)參與標(biāo)準(zhǔn)制定。

 

5、山西長治市市場監(jiān)督管理局發(fā)布《長治市市場監(jiān)督管理局關(guān)于2021年首批長治市地方標(biāo)準(zhǔn)制修訂項目的立項公示》，由山西中科潞安紫外光電科技有限公司牽頭組織，會同有關(guān)單位編制的長治市地方標(biāo)準(zhǔn)《消毒用UVC LED術(shù)語與定義》、《消毒用UVC LED芯片規(guī)格分類》、《UVC LED消毒產(chǎn)品安全操作規(guī)程》、《紫外LED消毒機器人通用技術(shù)條件》和《公共場所用紫外LED消毒系統(tǒng)驗收規(guī)范》，已完成征求意見稿。

 

可以看到，紫外LED標(biāo)準(zhǔn)體系正在逐步建設(shè)，但是這些標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠適應(yīng)當(dāng)前紫外LED的發(fā)展，需要更多、更準(zhǔn)確、更細(xì)致的紫外LED標(biāo)準(zhǔn)出臺，也需要各地政府、協(xié)會大力支持紫外LED的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)工作。

 

 

紫外LED是半導(dǎo)體光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新藍(lán)海，半導(dǎo)體光電產(chǎn)業(yè)是節(jié)能環(huán)保的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，政府高度重視紫外LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

 

1、山西省“十四五”規(guī)劃發(fā)布，深紫外LED等劃入重點?！渡轿魇?ldquo;十四五”新裝備規(guī)劃》規(guī)劃將在電子信息裝備領(lǐng)域重點突破紫外LED芯片、深紫外LED芯片、MiniLED等核心關(guān)鍵技術(shù)，重點研發(fā)全波段UV LED系列產(chǎn)品、LED外延產(chǎn)品、紫外應(yīng)用產(chǎn)品。同時，將加大藍(lán)寶石生長設(shè)備及MOCVD設(shè)備的研發(fā)投入?！渡轿魇?ldquo;十四五”14個戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》光電產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，圍繞基礎(chǔ)材料、光源應(yīng)用、光電顯示、設(shè)備制造等重點領(lǐng)域、關(guān)鍵環(huán)節(jié)，加快形成“光材料—光元器件—系統(tǒng)/設(shè)備/終端產(chǎn)品”光電產(chǎn)業(yè)一體化鏈條。構(gòu)建紫外LED產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新生態(tài)體系，拓展消殺應(yīng)用領(lǐng)域，搶占國際制高點。

 

2、“基于大功率深紫外LED光源的冷鏈貨物全表面全自動精準(zhǔn)消毒技術(shù)及集成系統(tǒng)研發(fā)”等4項引導(dǎo)性科技項目被列入福建2021年科技計劃項目，福建省政府在全國率先支持大功率深紫外LED光源在冷鏈貨物全表面上的消毒。目前，該省正在加快推進(jìn)產(chǎn)品備案，力爭成為全國率先應(yīng)用物理消毒設(shè)備消殺新冠病毒的省份。

 

3、長治高新區(qū)紫外半導(dǎo)體光電創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)集群成功入選科技部火炬中心2021年度創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)集群試點（培育）。作為在國內(nèi)率先布局紫外LED產(chǎn)業(yè)的先行者，山西省長治市更是充分集聚政府與社會資源，大力激發(fā)紫外LED創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活力。由山西省科技廳、長治市人民政府、長治國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合主辦，國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟紫外LED專業(yè)委員會、山西中科潞安半導(dǎo)體技術(shù)研究院有限公司、山西中科潞安紫外光電科技有限公司等聯(lián)合承辦的“第一屆紫外LED創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”正式拉開帷幕。大賽平臺正式面向全國的紫外LED光電產(chǎn)業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目開放參賽通道，光電材料、外延、器件、模塊、以及裝備、紫外LED在凈化、消毒、照明、滅菌、檢測等領(lǐng)域的下游應(yīng)用創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)者都可以通過大賽指定入口報名參賽（https://jinshuju.net/f/OHadCm）。

 

無論是技術(shù)研究方面的技術(shù)突破，市場應(yīng)用的積極探索創(chuàng)新，標(biāo)準(zhǔn)體系的逐步建設(shè)，政府產(chǎn)業(yè)政策的引導(dǎo)和大力支持……都是在全力推動紫外LED產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展！20世紀(jì)90年代被后人所銘記，因為基于氮化鎵的高效藍(lán)光、綠光LED誕生于彼時。我們相信，在紫外LED產(chǎn)業(yè)全體同仁的共同努力下，紫外LED必將綻放其應(yīng)有的耀眼光芒，迎來自己的星辰大海！

 

(注：本文部分素材來源網(wǎng)絡(luò))