本期，我們邀請到中國科學院半導體所研究員、山西中科潞安紫外光電科技有限公司副總經理閆建昌，帶來了關于“疫情防控與深紫外LED技術”的精彩主題分享，以下為文字實錄：
非常感謝國家半導體照明工程研發及產業聯盟邀請我來做這個分享報告。新型冠狀病毒來勢兇猛，對我們的日常生活、工業生產等各方面造成了很大的沖擊影響。我本人的專業領域是紫外LED的外延材料和芯片，因為一直從事這方面的工作，借此機會，分享一下個人的思考和認識，希望能對大家有所幫助。
新冠病毒防控，紫外殺菌消毒被認可
目前情況來看，不管是確診還是疑似病例，影響的人非常多。新型冠狀病毒的防控，療方面，取得了很大進展。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。
從官方給大家提供的殺菌消毒的方式里，可以了解到很多有效的方法。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，紫外殺菌消毒從原理上來說沒有問題，但是需要注意兩點，能夠起到殺滅冠狀病毒或者殺菌消毒作用的紫外線，首先需要紫外線的波長合適，叫做適宜的波段。同時也需要紫外線的能量要足夠，也就是紫外線的劑量要足夠。
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，而且需要達到一定的時間。實際上，如果說照射的強度很大的話，時間也可以大大縮短。
紫外殺菌并不是特別新鮮的事情，迄今為止，已經有近百年的歷史。早在1903年，Niels Ryberg Finsen利用紫外線實現治療皮膚病，發表相關專著，并獲得了諾貝爾生理和醫學獎，歷史已久。
紫外線之所以能夠實現高效的殺滅病毒病菌，主要是從根本上通過破壞DNA來滅菌。因為紫外線的光子能量非常高，可以破壞細菌病毒的DNA鏈條，而從根源上來殺滅細菌、病毒。
不同波段紫外線對于細菌，病毒的殺滅效果是有差別的。傳統用的紫外汞燈可能是253.7或者254納米的，實際上最有效的波段可能不止是在254納米。根據目前最新的研究結果，在264納米附近，紫外線的殺菌效果可能會更高。
基于這個原理，可以說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。
紫外線如果要實現有效的殺菌消毒，需要足夠的能量，包括要足夠的照射強度和足夠的時間，同時需要合適的波段。根據波長，從長到短，紫外波段分為UVA、UVB和UVC，其中UVC是波長最短，能量最高的一個波段，我們經常稱其為深紫外波段。實際上，對于殺菌消毒，真正最有效的就是UVC。
不管是UVA還是UVC這些波段，都可以使用半導體材料來實現相應的紫外發光。
紫外LED光源的優勢
傳統紫外光源有低壓/中壓汞燈、微波無極汞燈等。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，也是紫外光源一種未來發展趨勢。
通過調節AlGaN材料中的AI組分，可以實現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，這是AlGaN半導體材料做紫外LED光源的優勢。
相比于傳統紫外光源，AlGaN基紫外LED還具有小巧便攜、環保安全、易于設計等優點。可以實現各種各樣的一些光源設計。
此外，紫外LED最重要的優點是不采用汞材料，無汞環保。根據水俁公約，從2020年起，締約國禁止生產及出口含汞產品。當然不會一下子取締汞燈，目前紫外LED在發光效率等方面還無法完全取代汞燈。但是長遠來看，隨著紫外LED的性能逐步提升，未來它的發光效率有望超過汞燈。從環保角度，逐步推廣使用紫外LED應該是大勢所趨。
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，用來給我們提供安全衛生的環境，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。
紫外LED的前景，從我個人的角度非常樂觀。未來紫外LED，從家居到工業，方方面面都可能用得到。未來有可能催生出不同于照明的新興萬億產業。
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。
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。
個人認為其中最重要的一項就是納米圖形藍寶石襯底(NPSS)技術，重要之處在于兩個方面，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，納米圖形藍寶石襯底(NPSS)技術可以從材料到出光各個方面來改善，對紫外LED的性能有很大的提升作用，未來我覺得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， 個人角度比較看好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，是我們很重要的一部分研究工作。
以上這些方法，實際上不只是通過實驗室研究，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。
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，我們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,進一步開展紫外LED的研發以及產業化的一些探索.
2019年5月在山西長治舉行了首屆紫外LED長治國際會議暨長治LED產業發展峰會（2020年會議已經在籌備中，疫情過后邀請大家參與和實地考察），峰會期間，山西中科潞安紫外光電項目投產儀式舉行。
目前公司主要是聚焦于深紫外LED芯片產品的研發以及產業化，已經實現了從UVA到UVC全波段紫外LED芯片產品的生產。
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專用的MOCVD設備，對于目前深紫外LED產業化是一個首當其沖的瓶頸問題，深紫外LED產業的關鍵瓶頸在于外延，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。
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。
聯盟積極布局推動紫外LED標準化體系建設
現有紫外殺菌燈國標GB/T 19258-2012《紫外線殺菌燈》，但該標準只針對傳統光源，請問紫外LED光源是否有相關的國內外產品標準、要求呢？
閆建昌：這是個好問題，現有的紫外標準都是基于傳統汞燈的，目前紫外LED光源迫切需要從測試到應用的一系列標準。目前從行業角度，已經依托國家半導體照明工程研發及產業聯盟（CSA）成立了紫外專委會，推動紫外標準制定的一系列工作，也期待大家一起獻策獻力。
國家半導體照明工程研發及產業聯盟標委會副秘書長高偉：隨著技術進步、學科交叉、應用融合，不斷催生新的應用領域，標準需要不斷完善。與傳統紫外汞燈相比，紫外LED環保無污染，應用前景廣泛。
在深紫外殺菌消毒方面，標準化面臨著一系列的挑戰，如紫外汞燈殺菌主要在253.7nm，而UVC LED波長主要分布在280nm，這為后續應用解決方案帶來了一系列差異。
為填補標準化空白領域，聯盟標準化委員會發揮團體標準快速響應市場需求的優勢，開展了對計量、標準、檢測等方面的調研，積極布局標準化體系，編寫了《紫外LED標準化體系報告》，啟動了《紫外LED技術與應用 術語和定義》、《紫外LED殺菌消毒技術報告》，未來將逐步構建匹配UVC LED規模市場的新的標準化體系。
2014年6月，國務院參事室和國標委領導調研CSA標準化工作時，國家標準委總工程師殷明漢表示，CSA是聯盟標準化工作的“鮮活樣本”；
2015年6月，CSA獲批國家標準委首批團體標準試點單位；
2016年4月，CSA獲批“中關村國家自主創新示范區標準化試點示范單位”；
2016年10月，T/CSA 016獲得2016年“中國標準創新貢獻獎”二等獎，是第一個獲得該獎項的團體標準；
2017年6月，CSA獲批質檢總局、科技部、國標委“首批科技成果轉化為技術標準試點工作”單位；
2020年1月，CSA作為聯合協作單位，與牽頭單位中科院半導體所等其他9家單位共獲2019年度 “國家科學技術進步獎”一等獎，此項殊榮高度肯定了CSA聯盟團體標準化工作對產業發展的貢獻。
識別二維碼關注公眾號，回復關鍵詞 “紫外PPT” 獲取完整會議PPT《閆建昌：疫情防控與深紫外LED技術》。
