聚焦細(xì)分市場新熱點 全球UV LED發(fā)展初探

　　隨著2016年的通用照明領(lǐng)域大洗牌，2017年各大企業(yè)的關(guān)注點開始轉(zhuǎn)移到了細(xì)分領(lǐng)域。據(jù)估計，2016年UVC LED殺菌與凈化應(yīng)用的市場產(chǎn)值達(dá)2800萬美元，2021年將達(dá)2.57億美元，年復(fù)合成長率高達(dá)56%。然而，UV-CLED產(chǎn)品技術(shù)門檻相當(dāng)高，不論在磊晶、晶片技術(shù)、封裝與市場接受程度等都面臨諸多挑戰(zhàn)，盡管如此，有研究報告顯示，以高科技創(chuàng)新為特色的深紫外LED應(yīng)用廣泛，將成為全球LED研究與投資的新熱點。本文將嘗試窺探世界各地近年投入研發(fā)成果的發(fā)展脈絡(luò)。

　　歐美

　　RayVio公司

　　2015年，全球深紫外LED器件和消毒系統(tǒng)解決方案商RayVio公司宣布實現(xiàn)深紫外LED的光功率性能記錄。據(jù)介紹，美國RayVio科技公司 (RayVio Corporation) 是由Yitao Liao博士和Robert Walker博士于2012年創(chuàng)建的高科技公司。RayVio科技總部位于美國加州硅谷，致力于研發(fā)及商業(yè)量產(chǎn)化紫外LED和基于LED的應(yīng)用模組與系統(tǒng)。RayVio通過使用獨特的深紫外LED外延技術(shù)，RayVio在單芯片0.15mm2發(fā)光面積內(nèi)實現(xiàn)直流輸出深紫外波段(260至280納米)45毫瓦光功率，創(chuàng)造出30W/cm2連續(xù)波光功率密度的紀(jì)錄。該公司使用全新的外延方法，使其能夠提供比市場現(xiàn)有產(chǎn)品更高的光功率和更低的成本。

　　2016年7月，RayVio公布的深紫外UVC LED殺菌解決方案的測試結(jié)果表明，RayVio深紫外UVC LED比目前最常見的殺菌產(chǎn)品能夠更快、更有效地殺滅醫(yī)院和家庭環(huán)境中的細(xì)菌，可進(jìn)一步消除公眾和家庭環(huán)境下的相互傳染風(fēng)險。一顆RayVio深紫外UVC LED能夠在60秒內(nèi)殺滅99.9999%的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)、李斯特菌和沙門氏菌的細(xì)菌樣本，而利用多顆深紫外UVCLED就能夠更快地殺滅細(xì)菌或殺滅更多細(xì)菌樣本。據(jù)悉，利用RayVio深紫外UVC LED的285納米發(fā)射波長，研究人員以10毫米的距離照射細(xì)菌樣本，按照介于5秒和80秒之間的時間間隔來測量細(xì)菌數(shù)量的變化。5秒時，99.99%的細(xì)菌被殺死。60秒時，99.9999%的細(xì)菌被殺死。

　　RayVio的深紫外UVC LED技術(shù)在所有同類深紫外LED中具有每平方毫米最高的殺菌效力，除了小巧，還能夠快速的與其他應(yīng)用產(chǎn)品結(jié)合，如消毒導(dǎo)尿管、醫(yī)生的手機和醫(yī)院的門把手等高感染風(fēng)險區(qū)域。相關(guān)研究結(jié)果表明，與目前的消毒解決方案相比，深紫外UVC LED照射能夠更快、更徹底地高效殺滅細(xì)菌。醫(yī)院常常使用化學(xué)消毒劑，需要幾分鐘才能有效地殺滅細(xì)菌，如MRSA和沙門氏菌。常見的酒精洗手液需要一分鐘或更長時間才能完全生效，但效能只能達(dá)到99.99%。更長的曝露時間增加了人為誤差以及無法全面消毒的風(fēng)險。盡管傳統(tǒng)水銀燈產(chǎn)生的深紫外光源能夠消毒，但它們體積過大、易損壞并且含有限制使用的有害物質(zhì)水銀。

　　同年11月，RayVio推出了一款便攜式嬰兒用品消毒器，據(jù)稱，這款名叫Ellie的產(chǎn)品小巧輕便又功能強大，能在60秒內(nèi)殺死99.9%的有害細(xì)菌，從奶瓶到奶嘴，從磨牙環(huán)到小玩具，都能快速消除表面細(xì)菌，且只有0.9公斤，每次充電能使用一周，可以成為一個攜帶式的消毒柜。據(jù)介紹，Ellie是全球首款采用TRUVIOLET深紫外技術(shù)的C端嬰兒用品消毒器，它采用了RayVio最新LED數(shù)字化芯片，這也是RayVio推出的第一款消費場景產(chǎn)品。LED芯片能發(fā)射出深紫外(UVC)波長的光線，在任何環(huán)境下進(jìn)行既快捷又不產(chǎn)生任何化學(xué)物質(zhì)的殺菌。由于深紫外LED芯片本身就對消毒最拿手，RayVio首款產(chǎn)品選擇嬰兒用品便攜式消毒器也就順理成章了。此外，RayVio還有意與醫(yī)療衛(wèi)生健康領(lǐng)域的各廠商牽手，推出能消毒的水杯、凈水器等更多深紫外線LED民用產(chǎn)品，形成一個真正的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

　　美國康乃爾大學(xué)

　　2017年初，美國康乃爾大學(xué)的研究團(tuán)隊研發(fā)出一種體積小且更環(huán)保的深紫外線LED光源，并創(chuàng)下目前業(yè)界deep-UV LED最低波長的紀(jì)錄。據(jù)悉， UV-C紫外光波長僅200到280奈米、能量高，可以穿透病毒、細(xì)菌、真菌和塵螨的薄膜，攻擊DNA并殲滅這些有害的有機體。研究人員采用原子級控制界面的氮化鎵(GaN)與氮化鋁(AlN)單層薄膜為反應(yīng)作用區(qū)域，成功發(fā)射出波長介于232到270奈米的深紫外LED。這種232奈米的深紫外線，打破了由日本團(tuán)隊創(chuàng)下的239奈米紀(jì)錄。

　　目前紫外線LED最大瓶頸就是發(fā)光效率，這可以由三個方面來衡量，分別為注入效率、內(nèi)量子效率(IQE)、 出光效率。如三個方面的效率都達(dá)到50%，相乘起來只有八分之一，等于發(fā)光效率已降到12%。在深紫外線波段，這三方面的效率都很低，但研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，利用氮化鎵取代傳統(tǒng)的鋁氮化鎵，可以提高內(nèi)量子效率和出光效率。為了提高注入效率，研究團(tuán)隊采用之前開發(fā)出的技術(shù)，在正極(電子)和負(fù)極(電洞)載體區(qū)域，采用極化感應(yīng)摻雜法來實現(xiàn)。深紫外光的應(yīng)用領(lǐng)域包含食物保鮮、假鈔辨別、光觸媒、水的凈化殺菌等。在成功提升深紫外LED的發(fā)光效率后，研究團(tuán)隊下一步會將光源整合到裝置內(nèi)，朝上市的目標(biāo)邁進(jìn)。

　　歐司朗

　　此外，有消息指歐司朗在UV LED領(lǐng)域制定了將不可見光光電產(chǎn)品組合擴展到UV-C波長范圍的戰(zhàn)略，并于2017年的2月15日，與AlN單晶基板供應(yīng)商HexaTech公司簽署兩項戰(zhàn)略協(xié)議。這些協(xié)議包括長期供應(yīng)協(xié)議和若干HexaTech的知識產(chǎn)權(quán)(IP)許可，其中，前者涉及作為HexaTech公司2英寸(直徑)基板開發(fā)項目的直接支持的氮化鋁(AlN)基板。據(jù)報道，此舉有助于歐司朗加速其基于HexaTech材料的UV-CLED器件開發(fā)，從而使其成為主要的高性能光電技術(shù)提供商，提供從深紫外波長到紅外波長的各種產(chǎn)品。

　　中國

　　圓融科技

　　2015年10月16日，圓融科技發(fā)布公告稱，分別以現(xiàn)金和換股方式收購張國華、上海久卜等9名股東持有青島杰生電氣合計85.61%股權(quán)，深紫外LED芯片成為了圓融科技收購青島杰生電氣后獨家擁有的技術(shù)。深紫外LED主要應(yīng)用在四個方面：空氣，如空氣凈化、空調(diào)殺菌功能;食品，如冰箱食物保鮮等;水，包括自來水桶裝水、野外江河湖海自然水消毒后的飲用;而更誘人的方向在醫(yī)療體系。據(jù)介紹，早在2013年，全球紫外LED市場規(guī)模已達(dá)8億美元，預(yù)計整個產(chǎn)業(yè)鏈的放大效應(yīng)在80億-100億美元之間。有分析指出，這個市場如果進(jìn)一步成熟，應(yīng)用也會再擴大。

　　2016年1月26日晚間，圓融科技發(fā)布公告稱，經(jīng)過國家級認(rèn)證機構(gòu)“中國杭州遠(yuǎn)方檢測校準(zhǔn)技術(shù)有限公司”的檢測論證，其公司控股子公司青島杰生電氣有限公司研發(fā)的280納米大功率深紫外發(fā)光芯片，單顆芯片最大光輸出功率創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。該紀(jì)錄再次奠定了圓融科技在全球固態(tài)深紫外發(fā)光芯片領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。據(jù)悉，青島杰生電氣有限公司研發(fā)的280納米大功率深紫外發(fā)光芯片，常溫常壓和1000毫安電流連續(xù)通電條件下，其單顆芯片獲得了穩(wěn)定的176.6毫瓦輸出功率，而電壓只有5.8伏。這些優(yōu)異的電學(xué)特性使得該大功率芯片能夠直流通電到1安，才接近輸出功率飽和。該項單顆芯片最高輸出功率紀(jì)錄已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了最近美國SETI 公司報道的100毫瓦、日本信息通信研究機構(gòu)與德山的90毫瓦記錄。

　　2016年10月21日，圓融科技宣布青島杰生電氣有限公司正式推出壽命達(dá)到1萬小時的10毫瓦UVC(深紫外)LED產(chǎn)品，這一水平處于世界領(lǐng)先地位。據(jù)報道，該公司產(chǎn)品包括2毫瓦，5毫瓦和10毫瓦不同功率檔，30毫瓦以上大功率的產(chǎn)品將在后期陸續(xù)推出。圓融科技兼青島杰生董事長梁旭東曾經(jīng)表示，該公司的目標(biāo)是給世界提供高效耐用，高性價比，最好的深紫外UVC LED器件。相信其最新的長壽命產(chǎn)品的推出，將進(jìn)一步推動市場應(yīng)用，并承諾將緊密的與客戶合作，提供全方位解決方案?！?/p>

　　2017年3月，繼去年推出壽命1萬小時10mW UVC LED產(chǎn)品和基于HeaChips健康芯片技術(shù)的靜態(tài)水和流動水殺菌模塊之后，青島杰生電氣有限公司再次實現(xiàn)技術(shù)突破，自主研發(fā)出100mW級別的UVC LED產(chǎn)品。該產(chǎn)品整體體積小，卻可發(fā)出100mW的275nm深紫外線。這將為大流量的流動水和空氣類殺菌方案設(shè)計帶來了無限想象和應(yīng)用空間。據(jù)介紹，200―280nm的紫外線可以通過破壞細(xì)菌和病毒的DNA，從而阻止其繁殖，達(dá)到極佳的殺菌效果，目前被廣泛的應(yīng)用于各個殺菌消毒領(lǐng)域。UVC LED體積小，壽命長，滅菌效率高，綠色環(huán)保，不含任何有毒物質(zhì)，被認(rèn)為是革命性的發(fā)明和理想的紫外線光源。然而目前市場上UVC LED都是相對較低的紫外輸出功率，極大限制了UVC LED的應(yīng)用場景。

　　據(jù)透露，青島杰生電氣公司通過多年的積累實現(xiàn)了自主知識產(chǎn)權(quán)的HeaChips技術(shù)，覆蓋從外延片，芯片，封裝到應(yīng)用設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，產(chǎn)品線覆蓋了殺菌消毒用的UVC(275nm)LED，治療皮膚病用的UVB(308nm)LED和工業(yè)固化用的UVA(365nm)LED?；凇敖苌姎狻钡腍eaChips健康芯片技術(shù)革新，“杰生電氣”在外延生長技術(shù)、芯片技術(shù)和散熱技術(shù)方面實現(xiàn)突破，成功實現(xiàn)275nm UVC LED100mW輸出光功率，極大地的拓展了UVC LED的應(yīng)用空間。未來公司還將會推出1000mW也就是瓦級的產(chǎn)品應(yīng)用于大流量的水和空氣殺菌處理。

　　中科優(yōu)唯

　　2015年10月 繼圓融光電高調(diào)宣布入主青島杰生之后，中科優(yōu)唯完成了金額6000萬元的A輪融資。據(jù)報道，中科優(yōu)唯將從深紫外氮化物外延生長MOCVD設(shè)備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)來切入，從根本上解決制約深紫外LED應(yīng)用的瓶頸問題。中科優(yōu)唯科技有限公司作為一家高科技初創(chuàng)公司，通過與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所進(jìn)行深入合作，專注于深紫外光電材料專用高溫設(shè)備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，致力于成為國際一流的高溫專用設(shè)備供應(yīng)商。

　　其時，廣闊市場前景和巨大附加值的深紫外領(lǐng)域被行業(yè)公認(rèn)為藍(lán)海，然而生產(chǎn)裝備的缺失、制造工藝的復(fù)雜讓垂涎深紫外這一領(lǐng)域的眾多廠商望而卻步，器件價格的居高不下嚴(yán)重制約了深紫外LED市場的爆發(fā)。深紫外2mw芯片市場主流報價高居不下，是藍(lán)光芯片幾百倍，主要原因是可商用化的高溫MOCVD的缺位，僅靠目前市場上現(xiàn)有的小型機臺設(shè)備，很難將芯片成本降下來。因此，中科優(yōu)唯表示，將從深紫外氮化物外延生長MOCVD設(shè)備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)來切入，從根本上解決制約深紫外LED應(yīng)用的瓶頸問題。

　　從紫外LED光源來看，目前主要用于紫外光固化、防偽檢測、醫(yī)學(xué)光照、熒光分析、藥物研發(fā)、空氣和水凈化等領(lǐng)域。據(jù)法國市場研究公司Yole Développement的調(diào)研報告顯示，到2017年UV LED市場規(guī)?？蛇_(dá)2.7億美元，超過整個紫外光源市場的1/3，五年內(nèi)的復(fù)合年增長率可高達(dá)43%，從而形成和紫外汞蒸氣燈分庭抗禮的局面。隨著紫外LED生產(chǎn)成本的不斷降低，應(yīng)用產(chǎn)品價格的不斷下降，紫外LED會有越來越多的應(yīng)用方向出現(xiàn)，中科優(yōu)唯表示，其使命就是突破國際上高Al組分高溫MOCVD設(shè)備的缺失，推動AlGaN材料和器件價格的大幅度降低，繼而實現(xiàn)深紫外LED產(chǎn)品的普及應(yīng)用。

　　2016年6月，中科優(yōu)唯宣布在深紫外UV設(shè)備和工藝方面取得突破性進(jìn)展。目前紫外LED光源主要用于紫外光固化、防偽檢測、醫(yī)學(xué)光照、熒光分析、藥物研發(fā)、空氣和水凈化等領(lǐng)域。北京中科優(yōu)唯科技有限公司是在與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所合作基礎(chǔ)上于2015年2月組建的高新技術(shù)企業(yè)，專注于深紫外(300nm以下)LED的產(chǎn)業(yè)化。針對深紫外氮化物外延生長設(shè)備、深紫外LED的外延工藝和器件工藝，為客戶提供能夠充分發(fā)揮深紫外LED性能的材料和器件。

　　據(jù)悉，中科優(yōu)唯研發(fā)出的專門用于深紫外LED的7片機和48片機型，生長溫度高達(dá)1400℃以上，加熱絲具有很好的壽命;生長壓力30torr到常壓連續(xù)可調(diào);頂盤實現(xiàn)水冷噴淋式均勻進(jìn)氣，均勻性優(yōu)于1%，有限元仿真模擬熱場、流場可滿足客戶需求。其開發(fā)出的深紫外LED基礎(chǔ)材料AlN緩沖層的基礎(chǔ)工藝生長速率為1um/h時，在7片機和48片機上獲得滿足深紫外LED生長的XRD搖擺曲線半高寬，(002)最低達(dá)到30弧秒，(102)已小于500弧秒。其初步制作的280nm附近深紫外LED已實現(xiàn)電注入發(fā)光，發(fā)光功率大于1mw。

　　據(jù)介紹，從目前進(jìn)展來看，我們有望實現(xiàn)批量設(shè)備上280nm以下深紫外LED的材料生長，并結(jié)合器件工藝實現(xiàn)規(guī)?；钭贤釲ED的技術(shù)突破，為深紫外LED降低成本，規(guī)模應(yīng)用解決生產(chǎn)設(shè)備和成套工藝的技術(shù)瓶頸。未來白色家電將是使用深紫外LED消毒應(yīng)用的一大新領(lǐng)域，電冰箱、洗衣機、空調(diào)機、空氣凈化器、飲水機等產(chǎn)品都有使用小型消毒器的需求，各大廠家都在尋找適合的產(chǎn)品，紫外LED具有體積小、設(shè)計方便、沒有污染等特點，十分適合在白色家電中應(yīng)用。

　　2016年11月，臺灣LED廠光鋐與研晶預(yù)計共組品牌，宣布進(jìn)軍殺菌UVC LED市場，雙方已開始利用新合資品牌擴大行銷，預(yù)計于2017年產(chǎn)生營收貢獻(xiàn)。另外有消息指，臺灣隆達(dá)電子、大陸地區(qū)鴻利智匯、國星光電等企業(yè)也在深紫外領(lǐng)域展開布局。

　　日本

　　日本立命館大學(xué)

　　2014年3月24日，日本立命館大學(xué)發(fā)表一份公報稱，其研究人員開發(fā)出了一種能夠以很低的成本高效制作深紫外線發(fā)光二極管(LED)的技術(shù)，有望成為聯(lián)合國限制水銀使用后被廣泛采用的深紫外線光源。過去，很多深紫外線光源采用水銀燈，但聯(lián)合國去年組織各方簽訂的《水俁公約》規(guī)定要大幅限制水銀的使用，所以有必要開發(fā)替代光源。其中，深紫外線LED就可以用來替代水銀燈，但是過去制作深紫外線LED時要用昂貴的藍(lán)寶石做基板，其高昂成本限制了普及程度。立命館大學(xué)高級研究員青柳克信等人報告說，可以利用廉價的硅酮取代藍(lán)寶石作為基板，從而能大幅削減成本。

　　此外，過去的工藝中為了讓電流通過，需要剝離基板上的一部分絕緣層。而新方法是在硅酮基板上附著一層氮化鋁作為絕緣體，然后在上面開出多個微孔讓電流通過。這樣做無需剝離絕緣層，大幅縮短了工序，以前需要5天的制作工作可以縮短到1天，而且避免了剝離絕緣層時對LED的損傷，發(fā)光效率也得到提高。研究小組認(rèn)為，新方法可大幅削減深紫外線LED的制造成本，有望促進(jìn)這種深紫外線光源的大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用。

　　日機裝

　　2014年，赤崎勇和天野浩因開發(fā)出藍(lán)色LED而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。大型工業(yè)泵企業(yè)日機裝從2006年起，開始在兩人的指導(dǎo)下開展實用化研究。在10年后的2015年3月，實現(xiàn)了深紫外LED的量產(chǎn)供貨。同年10月24日，諾貝爾物理學(xué)獎得主天野浩在一次答記者問的時候提到，其正在研究波長僅為250nm～350nm左右的深紫外LED。這種LED除了殺菌用途外，預(yù)計還可應(yīng)用于印刷領(lǐng)域。印刷領(lǐng)域過去使用的紫外光源的發(fā)光波長有限。因此，印刷墨水等使用的高分子材料需要配合波長來開發(fā)，既費時又費力。而LED容易調(diào)節(jié)波長，能按照高分子的特性選擇紫外LED的波長，從而可使開發(fā)變得更簡單。

　　在過去，汞燈是人們熟知的深紫外線發(fā)生設(shè)備。主要應(yīng)用于商用殺菌和檢查用途，例如醫(yī)療器械、工廠和研究機構(gòu)、食品領(lǐng)域等。但汞燈在其他領(lǐng)域，普及卻存在困難。首先是性能受限。汞燈的工作電壓為100V以上，尺寸為幾cm～幾m。耗電量大，單是充分發(fā)光之前的預(yù)熱，就需要10～30分鐘。而且壽命僅為3000～5000個小時。這樣的尺寸、耗電量和耐久性，無法應(yīng)用于家電和汽車。最重要的問題是汞對人體有毒。2013年，日本等92個國家簽署了《關(guān)于汞的水俁公約》。強化限制汞燈的做法正在全球不斷擴大。

　　而深紫外LED可以輕松地在機器上安裝，還具有良好的安全性。工作電壓約為5～7V，尺寸只有幾mm，預(yù)熱時間為0秒。壽命長達(dá)1萬個小時以上，并且沖擊耐久性強，不使用汞。深紫外LED打破了汞燈的諸多限制。這項新技術(shù)如果得到普及，在生活的方方面面，“殺菌日?；睂蔀楝F(xiàn)實。為奪取成長市場，以通過提高發(fā)光效率、建立量產(chǎn)技術(shù)，實現(xiàn)成本化為目標(biāo)，全球掀起了白熱化的技術(shù)開發(fā)競爭。當(dāng)中，一馬當(dāng)先的是3家日本企業(yè)：日機裝、旭化成和德山。

　　德山及豐田合成

　　2017年2月，日本化學(xué)大廠德山與日本電氣設(shè)備大廠斯坦利電氣決定，在深紫外線LED領(lǐng)域擴大合作，德山維持深紫外線LED材料研發(fā)，而晶圓生產(chǎn)、封裝、與產(chǎn)品制造銷售等業(yè)務(wù)，由Stanley Electric負(fù)責(zé)。德山的深紫外線LED晶圓生產(chǎn)線及專利，均轉(zhuǎn)讓給Stanley Electric。

　　另外，日本豐田合成為了打造更新的藍(lán)光與紫外線LED，從德國大廠AIXTRON采購了新的MOCVD相關(guān)模組設(shè)備。此設(shè)備是強化過的5x4寸CRIUS Close Coupled Showerhead(CCS) 系統(tǒng)，可打造藍(lán)光LED以及深紫外光LED，預(yù)計在2017上半年交貨給豐田合成運用。AIXTRON新的CCS設(shè)備能更有效地幫助豐田合成的LED磊晶事業(yè)與產(chǎn)品，包括針對東南亞與其他區(qū)域市場的LED照明。