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【极智课堂】苏州镓敏光电周东:紫外光电探测技术与应用

周东

当前,新型冠状病毒仍在持续,对产业及企业造成了一定程度的影响,也牵动着各行各业人们的心。在此形势下,中国半导体照明网、极智头条,在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下,开启疫情期间知识分享,帮助企业解答疑惑。助力我们LED照明企业和产业共克时艰!

本期,我们邀请到苏州镓敏光电科技有限公司技术总监周东带来了“紫外光电探测技术与应用”的精彩主题分享,以下为主要内容:

一、紫外光电探测器市场

1.紫外光电探测器的市场预期

在全球光电传感器市场中:紫外传感器的市场份额虽然较可见光和红外探测器的市场份额要小,但预计到2021年市场总额也达到27.4亿美元,年增长率超过19%;基于紫外传感器的应用产品市场要庞大很多,遍布在工业、环境、食品、电力和医药卫生各个领域,市场规模超过200亿美金。

From “Global UV Sensors Market Research Report - Industry Analysis, Size,

Share, Growth, Trends And Forecast till 2025”

2.紫外消毒辐射剂量测量

紫外线通过对微生物(细菌、病毒、芽孢等病原体)的辐射损伤和破坏核酸的功能,从而使微生物致死,达到消毒和灭菌的目的,灭活效果取决于紫外辐射剂量。紫外光源中有效紫外光辐射强度与辐射时间决定了物体接收到的紫外辐射剂量。

国家卫生部颁布的《消毒技术规范》第三3版第2分册(紫外线消毒的效果监测)中明文规定:新出厂30W紫外线灯管在下方中央垂直1m处测定辐射强度应>90 mW/cm2方可使用;辐射强度低于70 mm/cm2的紫外线灯管及时更换。紫外线安全消毒,辐照强度监控必不可少。

3.空气类:紫外消毒辐射强度测量

空调、空气净化器等白色家电在经过长期使用后,其内部会附着大量的尘埃,在这些尘埃中会滋生大量的细菌和病毒。中国疾病预防控制中心通过检测发现,空调散热片的每平方厘米的细菌含量达288-1200cfu,霉菌含量达320-960cfu,最高数量可超过马桶的60倍。

紫外消毒灯表面沾污后,严重影响有效紫外光的出射强度,紫外消毒将形同虚设。紫外消毒辐照强度监控必不可少。

4.饮用水:紫外消毒辐射剂量测量

据世界卫生组织报告,目前全球有大约10亿人缺乏安全的饮用水,每年有200万以上人由于饮用没有被充分消毒的水而死于腹泻性疾病。紫外线灭菌具有无色无味无化学物质遗留的优点,在水处理和空气净化领域代替传统的氯、臭氧杀菌技术已经成为发展趋势。 但是,要想安全可靠地使用紫外线进行灭菌,必须使用紫外传感器对紫外线辐射剂量进行监控。

根据美国给水工程协会(American Water Works Association)在2008年出版的“紫外水消毒手册”,紫外水消毒系统必须安装在线紫外强度监测探头(on-line UV sensor)。

根据USEPA 2006要求:1. 紫外辐照强度要连续监测,并至少每4小时做一次记录;2. 紫外传感器至少要每月校准一次。

紫外消毒汞灯的有效出光效率可达到30%,UVC波段深紫外LED的外量子效率则比较低,EQE普遍在10%以下,商业化产品基本在1-3%。

紫外消毒光源存在问题:1.消毒灯输出光功率会持续衰减;2.国产消毒灯实际使用寿命与技术指标有较大出入。

4.安全饮用水:在线水质检测

净水器芯片能够起到过滤水中有害物质,杀灭细菌,净化水质的作用,注意定期更换净水器的芯片,这样才能保证良好的净化效果。如果净水器芯片长时间不更换,则会对水质造成二次污染。

传统水质检测技术主要是基于电化学分析或化学染色技术,不仅需要专人维护,而且存在废液处理问题。这样的系统价格昂贵,无法直接安装在饮水机等家用终端设备上。随着高性能紫外感光芯片的出现,基于紫外吸收光谱方法的水质在线检测技术日益成熟。

中国的净水器年销量约为1500万台,且随着人们健康意识的增强,净水机市场呈现爆炸性增长。

5. 紫外固化过程工艺监控

紫外固化工艺在半导体芯片制程、现代化工、涂料和印刷行业具有举足轻重的地位,已经触及到普通人生活的各个层面,产业规模庞大。由于紫外固化过程必须保证精准,紫外辐射强度的在线监测已经成为产业发展趋势。

目前紫外固化系统中,多采用独立UV能量计定期对光强进行检测;在线集成实时检测紫外辐照强度尚未形成行业标配,具有巨大的市场空间和需求。

在紫外固化过程中,紫外光强度及剂量决定了最终的固化效果。紫外光能量需适中,紫外光能量不足时,容易造成无法完全固化;紫外光能量过量时;则会浪费能源,同时引起固化的负效应,如爆聚、反固化反应等等。

6.日照紫外线指数监控

据国际IFSA组织的市场研究报告,38%的受访者希望未来智能手机上能够集成日照紫外线指数传感器,相应紫外探测器的市场需求及其庞大。三星Note手机、三星Gear S手环微软手环上均已集成紫外传感器。

根据世界卫生组织的统计数据,在美国皮肤癌的发病率接近20%,也就是说平均每5个人就有1人在其一生中会得一次皮肤癌,而且这个数字仍在逐年上升。 国际上每两年召开“UV and Skin Cancer Prevention Conference”。

7.其他重要应用领域


二、第三代半导体紫外探测器

基于新型宽禁带半导体材料(如: GaN、SiC)的紫外感光芯片具有显著的潜在应用优势,是世界各主要国家研发的重点。氧化镓,金刚石,氮化硼等宽禁带材料成熟度相对低。

基于SiC和GaN的常规结构紫外探测器已经实现产业化,被广泛应用于环境监控、火焰探测、紫外固化和紫外消毒设备的辐照剂量监控等领域。


目前国际上,有多家氮化镓和碳化硅紫外探测器相关企业,其中有以德国的sglux和ifw为代表的碳化硅基紫外探测器,韩国genicom为代表的氮化镓紫外探测器。国内企业中,镓敏光电是同时拥有氮化镓和碳化硅紫外传感技术的企业。

不同的应用领域对紫外探测器的性能指标有不同的要求。镓敏光电的紫外传感器已在诸多领域取得规模应用,应用领域覆盖了不同紫外强度范围,测量强度范围跨越9个数量级。


三、紫外光电检测市场存在问题

当前,紫外固化行业全球无统一标准,各紫外能量计测试数据各不相同。关于紫外光电检测标准,不仅仅是在紫外固化行业存在此类现象,同样在紫外消毒领域,各品牌的监测产品同样测试标准差异较大,测试出来的数据相差也很多。


目前紫外光电检测市场,存在着缺少统一光源及校准标准,不同品牌的紫外能量计、紫外检测模块及紫外探头输出数据各不相同的问题。

目前市场上常见的半导体紫外探测器,包括硅基紫外探测器和氮化镓、碳化硅基宽禁带半导体紫外探测器。常规Si探测器对可见光具有强烈响应,对紫外光无响应;紫外增强型Si探测器在UVC波段响应较低,此外,进行紫外光检测时需使用UV滤光片。


基于第三代半导体的GaN和SiC紫外探测器,具有对可见光无响应的天然优势,在进行紫外检测时可不需要使用特定的紫外滤光片。GaN材料体系具有带隙可调的优势,GaN基紫外探测器波长范围覆盖紫外到近紫外波段。SiC基紫外探测器具有稳定性优、暗电流低等优点。

紫外探测器的响应度与波长密切相关,同一紫外探测器在不同波长紫光照射下,即使其紫外光源强度相同,探测器输出信号也不会相同。因此,在紫外强度检测应用中,如果离开波长只谈波段其实并不科学。比如在紫外固化应用中,用于固化的365nm、385 nm、395 nm均属于UVA的波段,但在进行紫外强度检测时,从严格意义上讲,应该结合具体波长来看。紫外光强检测中,离开波长,只谈波段并不科学,业界需达成共识,形成统一检测标准。

关于苏州镓敏光电科技有限公司

公司创立于2019年,是由南京大学长江学者、留美归国博士和南京大学团队共同创办的高新技术企业,专业研发和生产新一代的高灵敏度紫外探测器件与应用模块,并提供与紫外探测相关的技术咨询与服务。致力于研发和生产基于新型宽禁带半导体材料的高性能紫外探测器。

目前,镓敏光电同时拥有氮化镓和碳化硅紫外探测技术,已建成完整的器件工艺线和高标准的器件检测实验室,已经推出了批量的氮化镓和碳化硅紫外传感芯片。同时。镓敏光电还推出了多种应用于紫外水消毒以及紫外固化在线监测的各种传统。传感探头可以满足各类的需求。

问答环节

1.Si基探测器滤波片只有254nm的吗?若是如此,测LED是否就测不准了呢?

周东:目前硅基探测器的滤光片不是只有254nm的,254nm的滤光片主要是针对消毒的,还有其他一些滤光片,比如说UVA和UVB的滤光片,这些都是存在的。如果是针对LED检测,可以采用氮化镓或者碳化硅材料体系的紫外探测器。如果一定要采用硅基探测器,那一定要配备相应的滤光片。

2.若是硅基探测器,每一个波长都需要一个滤波片,是否不能通用,比如270nm和280nm,两种探测器就不能通用是吗?

周东:目前有带通滤光片,比如整个UVA、UVB或者UVC波段都是可以通过的。如果要测试270nm和280nm的滤光波长,可以配备这类滤光片,结合硅基探测器是可以同时测的。但测试出来的数据,需要根据具体波长进行具体的较准。

3.目前商用紫外光探测所用宽禁带半导体材料还有其他选择吗?GaN SiC的优势弊端有哪些呢?

周东:目前市场上较为成熟的,商业化的紫外探测器材料基本上就是氮化镓和碳化硅材料体系。氮化镓材料体系的一个优势是带隙可调,它的波长范围可以覆盖整个UV波段,从200纳米一直到400纳米都是可以覆盖的。碳化硅材料体系的优势是性能非常稳定,可靠性比较高,做出来的器件漏电流比较低。

4.Si基探测器或氮化镓探测器,接收面尺寸有多大?

周东:目前市场上硅基紫外探测器及感光面积可达到平方厘米的数量级,氮化镓紫外探测器的感光面积目前常用的是一平方毫米左右,也可以通过相应的定制,比如说可以定制到四平方毫米或者九平方毫米之类的。

5.镓敏光电的氮化镓、碳化硅两种材料探测器的寿命以及价格、性价比差异性如何?

周东:目前镓敏光电提供的氮化镓和碳化硅探测器,其寿命都达到万小时以上,并没有发现明显的衰退。氮化镓得益于LED产业的快速发展,目前性价比、综合成本相对较低,而碳化硅主要有材料的制约因素,目前相对成本要比较高。

6.现在工业上的紫外探测器,通过什么参数来衡量探测器的好坏?

周东:目前在工业上,紫外探测器可以通过两个参数来进行衡量,一个是响应度,意味着探测器把光转换成电的能力。另一个是探测器的暗电流,暗电流越低,那么器件的测试灵敏度就越高,精度也就越高。

7. 镓敏光电的氮化镓探测器更新换代快吗,目前的发展趋势是什么?

周东:目前镓敏光电的氮化镓探测器更新换代速度还是比较快的,目前主要是通过材料上的更新换代,通过两英寸向四英寸外延片进行转换。

8.紫外辐射通量测试项目,行业内有没有主波长是253.7nm的标准灯?

周东:据了解,目前行业内并没有主波长是253.7nm的标准灯。

9.镓敏光电和国外品牌产品相比优势明显吗,同等产品进口价格比大致范围是怎样的?

周东:镓敏光电目前对比国外同类型产品,不仅在成本方面具有很大优势,在本土化服务方面也是具有非常大的优势。和国外同类型产品相比,镓敏光电的器件性能达到甚至优于国外同类型产品。(文字根据直播内容编辑整理,略有删减)

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