當前，新型冠狀病毒仍在持續，對產業及企業造成了一定程度的影響，也牽動著各行各業人們的心。在此形勢下，中國半導體照明網、極智頭條，在國家半導體照明工程研發及產業聯盟、第三代半導體產業技術創新戰略聯盟指導下，開啟疫情期間知識分享，幫助企業解答疑惑。助力我們LED照明企業和產業共克時艱！

本期，我們邀請到深圳第三代半導體研究院光電器件研發總監蔣振宇帶來了“紫外消毒手冊解讀之紫外消毒設備”的精彩主題分享，以下為主要內容：

一、參考書目

The Ultraviolet Disinfection Handbook, James Bolton, 2008

紫外光在水和廢水處理中的應用， Willy Masschelein， 張彭義譯，2014

III-Nitride Ultraviolet Emitters, editor: Michael Kneissl and Jens Rass, 2015

二、紫外消毒設備分類

1.開放式系統 Open-Channel System

污水處理為主，紫外燈可以平行或垂直水流方向。主要組成為UV燈和石英套管。

2.封閉式系統 Close-Pipe System

主要用于飲用水凈化，設計燈具包含在水管中，相對復雜，主要組成為UV燈，UV探測器，石英套管及相應的清理設計。

3.封閉式紫外消毒系統種類

單根環形反應器，低流速 1-10 gpm（加侖每分鐘），主要用于家庭或船上用凈水器，多用低壓汞燈。

多根平行水流反應器，高流速10-500 gpm，用于社區水凈化，大部分用低壓汞燈。

多根垂直水流反應器，超高流速500-2500 gpm，主要用于中大型凈水廠，多用中壓汞燈

二、紫外燈

1.氣體放電燈（Gas Discharge Lamp）

主要發光原理是將電子激發到元素的高軌道態，激發態的電子躍遷回基態的過程中發出光子。

汞是最容易揮發的金屬，最重要的兩條光譜線為253.7nm和185nm253.7nm對應消毒殺菌應用的波段，因為離子化能量比較低，比較容易產生雪崩效應。形成鏈式反應，效率相對來說會比較高。

汞燈中，通常汞蒸氣還要混合氬氣、氖氣或氦氣，產生叫做彭寧混合物的惰性氣體。如果氬氣過多，也會跟汞原子發生彈性碰撞損失能量，在燈具設計中，它的含量也要做優化處理。

2.UV燈的分類

UV用汞燈，主要分為低壓高輸出汞燈，脈沖氙燈，低壓汞燈、中壓汞燈等幾類，其中低壓汞燈、中壓汞燈使用最多。

低壓汞燈

低壓汞燈的基本工作原理是電子非彈性碰撞汞原子，使它發生電離，電離激發以后，再回到基態的時候，會發出紫外光子。低壓汞燈的工作氣壓通常是0.1到10Pa，在比較低的氣壓下，工作溫度點會比較低，相對在20-40℃的常溫區間就可以工作。低壓汞燈對溫度相對比較敏感。如果太低，冷卻濃縮降低發射效率。太高會自吸收增加降低效率。通常水溫影響不大，但有的地區冬天水溫太低影響效率。

通常汞燈的溫度基本上是在優化的大概三四十度左右，低壓汞燈82%的光發生在253.7nm。但也會有大概6.6%的光發射在184.9nm，這個波長會有一些臭氧產生，通常會采用一些光學玻璃或石英摻雜二氧化鈦等辦法處理掉。低壓汞燈實際上在生活中比較常用，功率一般在20瓦到40瓦左右。

低壓汞燈受電壓和溫度的影響比較大，會比較容易老化，低壓汞燈壽命大概在一年左右，每次啟動也會加速老化，每次重啟大概相當于增加一個小時的老化，是要經常不斷更換燈具的主要原因。

低壓高輸出汞燈（LPHO）

這是較早時期提出的技術，由于功率的提升，溫度也會隨之提升，但同時也帶來問題，比如摻In導致整個燈具壽命縮短。

中壓汞燈

工作電壓：~100kPa；電壓：160-250V；功率：~30,000W；光譜：因能量大導致光譜變寬；放電弧區溫度6000K，主體部件溫度600-900℃，對水溫不敏感。 

為了增加汞燈輸出，把工作氣壓提升到100kPa的水平，正常工作電壓是160-250V，但啟動時，會有3000到5000伏的脈沖啟動，會使得整個燈具可以達到3萬瓦這樣大功率的應用。但因為這樣大功率的應用，能量非常高，使得整個汞燈的光譜，就不僅僅局限在253.7nm，會有一個非常寬的光譜。

因為能量比較大，放電弧區溫度非常高，在6000K左右，主體部件溫度在600-900℃，是非常高的溫度，所以對于器件的材料、設計有更高的要求。比如一些末端的電極溫度在1500到2000度的高溫區間，需要考慮比較低熱膨脹系數的材料，如鉬材料。因為光譜很寬，所以有效消毒效率相對會低一些。

寬光譜也會同時具備消毒和協同氧化的功能。另外對于電壓會相對比較敏感，整個輸入電壓和輸出光功率幾乎是一種線性的正比關系，相對來說劑量大小比較好調節。

脈沖氙燈（Flash Lamp）

通常燈管中填充氙氣，10-30 kV高壓，等離子體溫度8000-25000K，脈沖：~30Hz；壽命短，材料老化快；220-320nm以外光發射；可能的次級反應（硝酸根離子）；商業化應用仍需推進。

由于這種技術設計。整個器件的壽命比較低，最多大概是一個月左右，材料老化很快，目前主要還在研發階段，產業應用非常少。

氣體放電燈總結

一般來說，低壓汞燈和中壓汞燈最大的差異是汞蒸氣的蒸氣壓，使用的溫度也非常不一樣，低壓汞燈相對低一點，低壓高輸出汞燈會稍微高一點，大約在60-100度。中壓汞燈會到600-900度的區間，壽命方面低壓汞燈是最長的。

效率部分，對于殺菌有效的能量效率，低壓汞燈的能量轉換效率大概是35%-40%，低壓高輸出汞燈大約在30%-35%，中壓汞燈的是12%-13%，脈沖氙燈也是比較低的區間，功率密度方面，中壓汞燈是最高的。

深紫外LED消毒燈

消毒用深紫外LED采用AlGaN材料；波長范圍260-280nm；產品效率3-5%（效率亟需提升）；

單顆芯片功率>5mW；無汞；無延時；體積小。

LED具有無汞、啟動無延時、體積小的優勢，在飛機或太空等需要便攜式應用的場所，有相關應用。但在大規模凈水領域，還沒有達到跟汞燈媲美的效果。其中一個主要原因可能與產品效率低有關，現在深紫外LED的出光效率還在非常低的效率區間。從外延芯片制備到后端封裝等環節，總體上，還有很多技術問題需要解決才能提高效率。

準分子燈（Excimer Lamp）

準分子是一種半衰期非常短暫的分子狀態，由同種原子或者異種原子組合而成。準分子可以通過自發輻射或受激輻射，釋放出光子回到基態。不過，因為效率和壽命問題，基本上也處在研發階段，對產業界基本沒太大影響。

三、紫外探測器

紫外探測器主要用于檢測凈水設備中紫外光消毒劑量，從而監控消毒效果到底有沒有達到理想中的效果。正常情況下是200-300nm日盲探測器探測紫外光，主要材料為AlGaN（不是書中所說的SiC材料）。

紫外探測器基本上需要每個月定期檢測和校準，因為在流水處理中或凈化處理中，經常會影響紫外燈光輸出的衰減，會有變化。石英套筒本身會吸收，筒外會積攢一些水垢，會影響光輸出，水本身也會吸收光。探測器窗口也會沉積一些東西來影響光的吸收。

四、石英套筒

為什么紫外消毒設備都采用石英材料做套筒？因石英材料對200-300nm的深紫外光透射率高；但石英表面溫度高，易造成礦物質的沉積，需每月定期清洗2-3次；可以采用不銹鋼刷，或加酸洗；或拆卸更換清洗，這也是凈水工作中不可避免的操作。

五、輔助部件

電源，為紫外燈提供所需的電壓和電流；鎮流器提供穩定的電壓和電流；鎮流器效率92-95%；

電源效率95-98%。

控制系統包括紫外光劑量控制；水流量控制；石英套管透射率（UVT）監控；控制中心等部分。

大型紫外消毒設備

書中展示的一些大型紫外消毒設備，比如在美國、加拿大的一些設備，有些汞燈組件的功率都達到20千瓦的量級。

深圳第三代半導體研究院

第三代半導體是新一代電力電子、微波射頻、光電子應用的核心材料和關鍵器件，支撐新能源汽車、高速列車、能源互聯網、消費電子、5G移動通信、基于MicroLED的顯示應用等產業綠色可持續發展。實現該領域核心技術的自主可控，是國家半導體戰略的重要組成部分。

目前研究院正在建設中，建成之后，會形成六到八英寸的碳化硅以及氮化鎵的寬禁帶半導體的涵蓋了一個晶體生長外延生長和器件制備一條線。包括微波射頻、電力電子、光電子等方向，其中光電子涉及Micro LED、可見光通信、激光顯示、紫外光源、醫療健康、環境探測等內容。

感謝聯盟（CSA）提供機會，能在極智課堂上與大家分享消毒手冊一書中關于紫外消毒設備部分的內容與收獲，希望與各位專家一起交流合作。我們研究院也會就Micro-LED等課題在極智課堂的平臺上與大家繼續交流，敬請關注。  

問答環節

1.Micro LED面臨LED芯片微縮和巨量轉移兩個難題，就這兩個難道目前有沒有新進展？

蔣振宇：芯片微縮的問題，最主要的還是芯片功率的一些線寬卡控等，實際芯片微縮現在還是可以做的。比如現在國內有廠商已經可以提供30微米這樣尺寸的Micro LED芯片出貨，或者更小尺寸的，現在可能量產有困難，但實驗研發這部分問題不會太大。

巨量轉移是很火的一個話題，有各種各樣的轉移方式，可以說是百花齊放的狀態。這個技術難題到目前為止還沒有完整成熟的量產化方案，目前最有希望的是巨量轉移加修復的方法來實現。

如何通過轉移和修復來控制成本，是業界關注的焦點，從一些報道中可以看到一些進展，大家可以多多關注一下。

2.深紫外LED采用AlGaN材料，目前產品效率3-5%，對于這種效率低下，主要困難點在哪里？有沒有別的探索路徑？

蔣振宇：深紫外LED效率問題是個困難點，這個困難從一開始材料生長就已經出現了，藍寶石用的MOCVD設備基本上去長鋁氮基本上就不好用了。其中一個困難點就是沒有適合生長深紫外LED材料的反應器。

另外，效率低下的主要原因是出光效率，出光效率對應材料本身的吸光，在260-280納米的材料，本身材料也會吸光?，F在很多電極為了做P電極的金屬接觸，很多結構里還用了一層薄薄的P型GaN。GaN材料的禁帶寬度是3.4eV，這個帶寬260納米的光基本100%全部都被吸收了，出光效率有不好影響。有很多研究機構想換成PAlGaN來做，后續的歐姆接觸也是問題，材料摻雜也存在問題，影響效率。而且在藍光LED中常用有機的硅膠來幫助出光的方式，在深紫外中無法用到。

種種困難導致目前效率比較低，而且效率低，芯片的散熱問題也會非常嚴重，再加上材料質量本身也不是很好，深紫外LED的壽命與藍光或其他無法相比，比如很多封裝材料的壽命可能比芯片壽命更長，一些技術或材料本身的問題還沒有解決。

探索路徑也是開放的狀態，國內外企業都有自己在探索，比如改造MOCVD設備等，隨著市場慢慢打開，越來越多人進入這個領域，相信會有快速的發展。

深紫外UVC LED用的是倒裝工藝結構，會導致反射鏡、本身材料吸光等問題影響效率，也有一些研究探索想要做一種垂直芯片，增加光的透射率，可能會有一些幫助。封裝方面，嘗試用新的材料幫助出關或者表面粗化，還有一些納米結構來幫助出光等，這些也是未來的一些方向。

（文字根據直播內容編輯整理，略有刪減，僅供參考）