本期，我們邀請到中國科學(xué)院半導(dǎo)體所研究員、山西中科潞安紫外光電科技有限公司副總經(jīng)理閆建昌，帶來了關(guān)于“疫情防控與深紫外LED技術(shù)”的精彩主題分享，以下為文字實(shí)錄：

非常感謝國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟邀請我來做這個(gè)分享報(bào)告。新型冠狀病毒來勢兇猛，對我們的日常生活、工業(yè)生產(chǎn)等各方面造成了很大的沖擊影響。我本人的專業(yè)領(lǐng)域是紫外LED的外延材料和芯片，因?yàn)橐恢睆氖逻@方面的工作，借此機(jī)會，分享一下個(gè)人的思考和認(rèn)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(rèn)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(jìn)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(rèn)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(diǎn)，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(shí)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(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。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(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，而且需要達(dá)到一定的時(shí)間。實(shí)際上，如果說照射的強(qiáng)度很大的話，時(shí)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(jīng)有近百年的歷史。早在1903年，Niels Ryberg Finsen利用紫外線實(shí)現(xiàn)治療皮膚病，發(fā)表相關(guān)專著，并獲得了諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎，歷史已久。

紫外線之所以能夠?qū)崿F(xiàn)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?yàn)樽贤饩€的光子能量非常高，可以破壞細(xì)菌病毒的DNA鏈條，而從根源上來殺滅細(xì)菌、病毒。

不同波段紫外線對于細(xì)菌，病毒的殺滅效果是有差別的。傳統(tǒng)用的紫外汞燈可能是253.7或者254納米的，實(shí)際上最有效的波段可能不止是在254納米。根據(jù)目前最新的研究結(jié)果，在264納米附近，紫外線的殺菌效果可能會更高。

基于這個(gè)原理，可以說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)掉紫外線就沒有了，沒有化學(xué)過程的參與和污染。

紫外線如果要實(shí)現(xiàn)有效的殺菌消毒，需要足夠的能量，包括要足夠的照射強(qiáng)度和足夠的時(shí)間，同時(shí)需要合適的波段。根據(jù)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(gè)波段，我們經(jīng)常稱其為深紫外波段。實(shí)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(dǎo)體材料來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的紫外發(fā)光。

紫外LED光源的優(yōu)勢

傳統(tǒng)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(dǎo)體材料，相比傳統(tǒng)光源，是一種冷光源，也是紫外光源一種未來發(fā)展趨勢。

通過調(diào)節(jié)AlGaN材料中的AI組分，可以實(shí)現(xiàn)LED發(fā)光波長在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，這是AlGaN半導(dǎo)體材料做紫外LED光源的優(yōu)勢。

相比于傳統(tǒng)紫外光源，AlGaN基紫外LED還具有小巧便攜、環(huán)保安全、易于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)?？梢詫?shí)現(xiàn)各種各樣的一些光源設(shè)計(jì)。

此外，紫外LED最重要的優(yōu)點(diǎn)是不采用汞材料，無汞環(huán)保。根據(jù)水俁公約，從2020年起，締約國禁止生產(chǎn)及出口含汞產(chǎn)品。當(dāng)然不會一下子取締汞燈，目前紫外LED在發(fā)光效率等方面還無法完全取代汞燈。但是長遠(yuǎn)來看，隨著紫外LED的性能逐步提升，未來它的發(fā)光效率有望超過汞燈。從環(huán)保角度，逐步推廣使用紫外LED應(yīng)該是大勢所趨。

紫外LED應(yīng)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(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，要保證無菌，無毒的健康安全。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，這些場景里，殺菌是可以發(fā)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(wèi)生的環(huán)境，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可以帶來的增量新興市場,這些增量市場很可能遠(yuǎn)大于其他傳統(tǒng)應(yīng)用市場。

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、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。

紫外LED的前景，從我個(gè)人的角度非常樂觀。未來紫外LED，從家居到工業(yè)，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(chǎn)業(yè)。

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，從根本上來說是材料限制了發(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 問題的根本。

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，是做材料或者是做外延的一個(gè)核心問題。目前國內(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。

個(gè)人認(rèn)為其中最重要的一項(xiàng)就是納米圖形藍(lán)寶石襯底(NPSS)技術(shù)，重要之處在于兩個(gè)方面，一是通過這種方法，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)力等問題。另一方面，這種技術(shù)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(lán)寶石襯底(NPSS)技術(shù)可以從材料到出光各個(gè)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(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。

對于AlGaN材料，P型摻雜也是難題，對于這個(gè)問題，也有很多的方法探討， 個(gè)人角度比較看好pAlGaN極化摻雜技術(shù)對于紫外光源的應(yīng)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(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，是我們很重要的一部分研究工作。

以上這些方法，實(shí)際上不只是通過實(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)或者說微納技術(shù)應(yīng)用到紫外LED中。

相信未來三到五年時(shí)間，紫外LED的電光轉(zhuǎn)換效率應(yīng)該會提升到超過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)在過去兩三年之內(nèi)，因?yàn)槭艿皆絹碓蕉嗟年P(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，相信未來紫外LED技術(shù)將是加速進(jìn)步的狀態(tài)。

深紫外LED產(chǎn)業(yè)化及挑戰(zhàn)

依托于中科院長期紫外LED研究技術(shù)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(dǎo)體技術(shù)研究院有限公司,進(jìn)一步開展紫外LED的研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)發(fā)展峰會（2020年會議已經(jīng)在籌備中，疫情過后邀請大家參與和實(shí)地考察），峰會期間，山西中科潞安紫外光電項(xiàng)目投產(chǎn)儀式舉行。

目前公司主要是聚焦于深紫外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全波段紫外LED芯片產(chǎn)品的生產(chǎn)。

對于產(chǎn)業(yè)化，不僅需要解決技術(shù)研發(fā)的一些問題，同時(shí)還有很多產(chǎn)業(yè)化的工程性問題。

深紫外LED專用的MOCVD設(shè)備，對于目前深紫外LED產(chǎn)業(yè)化是一個(gè)首當(dāng)其沖的瓶頸問題，深紫外LED產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵瓶頸在于外延，亟需深紫外MOCVD的支撐。

針對這個(gè)問題，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，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，未來可能會是深紫外LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)路徑。

新型冠狀病毒事件引發(fā)了大眾對于深紫外殺菌消毒的關(guān)注和認(rèn)識。后續(xù)會促進(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。

聯(lián)盟積極布局推動紫外LED標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)

現(xiàn)有紫外殺菌燈國標(biāo)GB/T 19258-2012《紫外線殺菌燈》，但該標(biāo)準(zhǔn)只針對傳統(tǒng)光源，請問紫外LED光源是否有相關(guān)的國內(nèi)外產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、要求呢？

閆建昌：這是個(gè)好問題，現(xiàn)有的紫外標(biāo)準(zhǔn)都是基于傳統(tǒng)汞燈的，目前紫外LED光源迫切需要從測試到應(yīng)用的一系列標(biāo)準(zhǔn)。目前從行業(yè)角度，已經(jīng)依托國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSA）成立了紫外專委會，推動紫外標(biāo)準(zhǔn)制定的一系列工作，也期待大家一起獻(xiàn)策獻(xiàn)力。

國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標(biāo)委會副秘書長高偉：隨著技術(shù)進(jìn)步、學(xué)科交叉、應(yīng)用融合，不斷催生新的應(yīng)用領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)需要不斷完善。與傳統(tǒng)紫外汞燈相比，紫外LED環(huán)保無污染，應(yīng)用前景廣泛。

在深紫外殺菌消毒方面，標(biāo)準(zhǔn)化面臨著一系列的挑戰(zhàn)，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(xù)應(yīng)用解決方案帶來了一系列差異。

為填補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)化空白領(lǐng)域，聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化委員會發(fā)揮團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)快速響應(yīng)市場需求的優(yōu)勢，開展了對計(jì)量、標(biāo)準(zhǔn)、檢測等方面的調(diào)研，積極布局標(biāo)準(zhǔn)化體系，編寫了《紫外LED標(biāo)準(zhǔn)化體系報(bào)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(bào)告》，未來將逐步構(gòu)建匹配UVC LED規(guī)模市場的新的標(biāo)準(zhǔn)化體系。

2014年6月，國務(wù)院參事室和國標(biāo)委領(lǐng)導(dǎo)調(diào)研CSA標(biāo)準(zhǔn)化工作時(shí)，國家標(biāo)準(zhǔn)委總工程師殷明漢表示，CSA是聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化工作的“鮮活樣本”；

2015年6月，CSA獲批國家標(biāo)準(zhǔn)委首批團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)試點(diǎn)單位；

2016年4月，CSA獲批“中關(guān)村國家自主創(chuàng)新示范區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化試點(diǎn)示范單位”；

2016年10月，T/CSA 016獲得2016年“中國標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新貢獻(xiàn)獎”二等獎，是第一個(gè)獲得該獎項(xiàng)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)；

2017年6月，CSA獲批質(zhì)檢總局、科技部、國標(biāo)委“首批科技成果轉(zhuǎn)化為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)試點(diǎn)工作”單位；

2020年1月，CSA作為聯(lián)合協(xié)作單位，與牽頭單位中科院半導(dǎo)體所等其他9家單位共獲2019年度 “國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎”一等獎，此項(xiàng)殊榮高度肯定了CSA聯(lián)盟團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)化工作對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的貢獻(xiàn)。

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