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高功率的深紫外LED集成光源最新研究进展 最高输出功率达到1.88 W

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-06-27 浏览次数:250
新冠病毒肺炎疫情在全球的蔓延,引发了人们对日常消杀和卫生健康方面的关注和重视。深紫外线(UVC)波长短(200~280 nm)、能量高,能在短时间内破坏微生物细胞中的DNA和RNA遗传物质分子,使其立即死亡或者无法繁殖,可实现高效快速的广谱杀菌效果。相比于传统的紫外汞灯光源,基于第三代半导体材料AlGaN的深紫外LED具有体积小、结构简单、携带方便、无需预热、安全环保、不产生臭氧等优点,随着国际《水俣公约》的实施,将逐步取代汞灯成为主要的深紫外固态光源。目前常见的深紫外LED光源多为单点模式,集成化程度不高,光输出功率低,无法满足高效快速的杀菌要求。因此,开发高功率的深紫外LED集成光源是实现深紫外LED在杀菌消毒领域大规模应用的必经之路。
 
广东省松山湖材料实验室第三代半导体团队和北京大学王新强教授团队合作,采用COB集成技术设计开发了275 nm、265 nm及255 nm三种波长的瓦级输出功率的深紫外LED集成光源,其最高输出功率达到1.88 W。光源采用密集排布的芯片阵列,195颗芯片以15串13并的方式接入电路,发光区域仅为3.4 cm × 3.4 cm,出光均匀。通过采用AlN高导热陶瓷基板,并配备铜散热板和散热风扇,有效地提高了集成光源的散热性能。由于其极高的输出功率,深紫外LED集成光源展示了优异的杀菌效果。对于表面杀菌场景,1 s内即实现了对距离5 cm处的金黄色葡萄球菌、大肠杆菌及白色念珠菌等多种代表性致病菌的99.9%以上的杀灭。对于空气杀菌场景,通过将其与L型铝制风管(带有鼓风风扇)结合制备而成的空气杀菌模组,30 min内实现了对20 m3空间内空气中的白色葡萄球菌超过97%的杀灭。同时,采用三种不同波长的深紫外LED集成光源进行了最佳杀菌波长的探索,结果表明,在相同辐照剂量下,对于金黄色葡萄球菌,265 nm和255 nm紫外线的杀灭率相当,均大于275 nm紫外线的杀灭率,说明其最佳杀菌波长可能在260 nm左右,与DNA的吸收峰相吻合。该工作展示了高功率深紫外LED集成光源的优异杀菌效果,以及未来在杀菌消毒领域应用中的巨大潜力。后续,该团队将继续基于新开发的高电光效率(WPE>5%)、多发光波长(255~325 nm)的UVC/UVB-LED芯片,进行更高功率的紫外LED集成光源的开发及应用场景探索。
 
该文章以题为“Watts-Level Ultraviolet-C LED Integrated Light Sources for Efficient Surface and Air Sterilization”发表在Journal of Semiconductors上。(J. Semicond, 2022, 43(7): 072301. doi: 10.1088/1674-4926/43/7/072301)
 
图1. 深紫外LED集成光源的(a)光输出功率与电流关系曲线,插图为其实物图;(b)电压与电流关系曲线;(c)电光转换效率与电流关系曲线;(d)归一化光谱。
图2. 深紫外LED集成光源的表面杀菌效果图。(a)金黄色葡萄球菌,杀菌前;(b)大肠杆菌,杀菌前;(c)白色念珠菌,杀菌前;(d)金黄色葡萄球菌,杀菌后;(e)大肠杆菌,杀菌后;(f)白色念珠菌,杀菌后。
 
作者简介

第一作者    罗巍,男,1992年出生,松山湖材料实验室高级工程师。
 
博士毕业于北京大学物理学院,目前主要从事III族氮化物材料外延生长和紫外LED光源制备相关方面的研究,包括高性能UVB/UVC-LED外延片生长、高功率密度紫外LED集成光源开发等。合作发表SCI论文20余篇,合作申请发明专利6项。
 
 
通讯作者   康俊杰,男,1988年出生,松山湖材料实验室副研究员。
 
博士毕业于中国科学院半导体研究所,研究领域为半导体光电子材料生长和器件制备、微纳结构制备、低温光谱分析等,目前的研究方向为AlGaN基紫外LED的外延生长和芯片验证分析,波长涵盖255、265、275、295、308、325nm等。合作发表SCI收录论文40余篇,SCI引用超过700。近年来,主持广东省青年科学基金1项、重点项目1项,参与广东省重点研发计划多项。
 
 
通讯作者  王新强,男,1975 年出生,北京大学博雅特聘教授。
 
主要从事宽禁带半导体材料、物理与器件研究。采用新型边界温度外延法实现了具有高室温电子迁移率的InN薄膜,确定了实现p型InN的镁浓度范围及镁受主激活能,测定了InN的空穴迁移率等材料参数;在蓝宝石衬底上实现了GaN基共振隧穿二极管原型器件;实现了高输出功率电子束泵浦深紫外光源和大功率深紫外 LEDs。发表论文 240 余篇,SCI 引用 3800 多次,申请/获得发明专利二十余项。

论文信息:
 
Watts-level ultraviolet-C LED intergrated light sources for efficient surface and air sterilization
 
Wei Luo, Tai Li, Yongde Li, Houjin Wang, Ye Yuan, Shangfeng Liu, Weiyun Wang, Qi Wang, Junjie Kang, Xinqiang Wang
 
J. Semicond, 2022, 43(7): 072301. doi: 10.1088/1674-4926/43/7/072301
 

(来源:半导体学报)
 
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