引言：以深紫外殺菌為例
當前，紫外殺菌技術有兩大技術產(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，禁汞步伐有序進行。因此，研發(fā)新型技術產(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、精密設備、芯片、封裝、醫(yī)療應用產(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)品等不同領域，具有小巧便攜、環(huán)保安全、易于設計等優(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)，還有相當長的路要走！
一 技術研究方面
深紫外LED才剛剛起步。不同于成熟的藍光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)光效率仍遠低于成熟的藍光LED。當發(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)模應用的最大障礙。
2021年以來，技術研究取得不少進展：
1、美國南卡羅來納大學的科學家開發(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，南卡羅來納大學研究團隊正在研究增強光提取效率的工藝技術，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用中更好地與汞燈競爭。
2、廣東省科學院半導體研究所先進材料平臺從材料生長和器件設計兩方面對紫外LED展開了較系統(tǒng)深入的技術研發(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)結構提高了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郭浩中教授團隊使用芬蘭領先供應商Picosun ALD設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鈍化保護技術可以改善LED昂貴的封裝程序進而降低生產(chǎn)成本。
4、目前AlN/藍寶石是構建基于AlGaN的DUV LED的最優(yōu)選模板，但AlN和藍寶石之間的晶格失配導致藍寶石上的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。武漢大學的研究人員研究發(fā)現(xiàn)交替的V/III比超晶格在藍寶石襯底上可生長高質(zhì)量的AlN薄膜。日本三重大學研究人員通過熱循環(huán)退火提高藍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，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。該技術有望降低生產(chǎn)制造成本。
產(chǎn)業(yè)化技術方面，首爾偉傲世275nm UVC LED的光效率已達到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關鍵技術在國內(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。
當前，盡管在技術研究方面取得不少進展，但深紫外LED無論是功率、量能轉(zhuǎn)化、材料、設備還是成本價格，依然存在諸多技術瓶頸，亟需技術研發(fā)人員進一步取得突破。
二 市場方面
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領域進行技術開發(fā)和產(chǎn)品生產(chǎn)。應用端，深紫外LED殺菌消毒應用在白色家電、機器人、智能馬桶、母嬰護理、個人健康穿戴等領域新品不斷，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，至芯半導體推出全自動冷鏈物品消毒系統(tǒng)、中科潞安自主設計研發(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，空氣凈化器應用多樣。水殺菌領域市場活躍，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領域。
三 標準方面
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準，僅參考傳統(tǒng)低壓紫外殺菌汞燈的標準，兩者技術特點的差異又決定了不可能照搬照用。因此，國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSA）標準化委員會組織編寫了《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》等標準建設。2021年以來，標準建設工作取得不少進展：
1、《光催化用UVA LED模塊技術要求》團隊標準正式發(fā)布。該技術要求規(guī)定了光催化用UVA LED模塊技術要求，包括術語和定義、技術要求和試驗方法，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用，以及空氣、水的凈化，應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域應用的UVA LED，峰值波長370nm的外量子效率研發(fā)水平達到40%左右，在光催化應用方面已經(jīng)達到可以取代傳統(tǒng)汞紫外光源的要求）。
2、《室內(nèi)紫外LED誘蚊燈性能要求》標準正式發(fā)布。該標準規(guī)定了紫外LED誘蚊燈的技術要求和試驗方法，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，該標準的發(fā)布有助于進一步規(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》團體標準公開征求意見。據(jù)了解，該標準明確規(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用于飲用水處理的殺菌裝置。另外，在技術要求中，該標準對使用條件、外觀、結構、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個方面進行相應的要求，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光源消毒技術規(guī)范》獲批立項，接下來將邀請湖北省業(yè)內(nèi)權威機構參與標準制定。
5、山西長治市市場監(jiān)督管理局發(fā)布《長治市市場監(jiān)督管理局關于2021年首批長治市地方標準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，會同有關單位編制的長治市地方標準《消毒用UVC LED術語與定義》、《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標準體系正在逐步建設，但是這些標準遠遠不夠適應當前紫外LED的發(fā)展，需要更多、更準確、更細致的紫外LED標準出臺，也需要各地政府、協(xié)會大力支持紫外LED的標準建設工作。
四 政策方面
紫外LED是半導體光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新藍海，半導體光電產(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。《山西省“十四五”新裝備規(guī)劃》規(guī)劃將在電子信息裝備領域重點突破紫外LED芯片、深紫外LED芯片、MiniLED等核心關鍵技術，重點研發(fā)全波段UV LED系列產(chǎn)品、LED外延產(chǎn)品、紫外應用產(chǎn)品。同時，將加大藍寶石生長設備及MOCVD設備的研發(fā)投入。《山西省“十四五”14個戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》光電產(chǎn)業(yè)領域，圍繞基礎材料、光源應用、光電顯示、設備制造等重點領域、關鍵環(huán)節(jié)，加快形成“光材料—光元器件—系統(tǒng)/設備/終端產(chǎn)品”光電產(chǎn)業(yè)一體化鏈條。構建紫外LED產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新生態(tài)體系，拓展消殺應用領域，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消毒技術及集成系統(tǒng)研發(fā)”等4項引導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，該省正在加快推進產(chǎn)品備案，力爭成為全國率先應用物理消毒設備消殺新冠病毒的省份。
3、長治高新區(qū)紫外半導體光電創(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、長治國家高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、國家半導體照明工程研發(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、山西中科潞安半導體技術研究院有限公司、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)相關領域的創(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、檢測等領域的下游應用創(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）。
無論是技術研究方面的技術突破，市場應用的積極探索創(chuàng)新，標準體系的逐步建設，政府產(chǎn)業(yè)政策的引導和大力支持……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90年代被后人所銘記，因為基于氮化鎵的高效藍光、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)
