新冠病毒肺炎疫情在全球的蔓延，引發(fā)了人們對(duì)日常消殺和衛(wèi)生健康方面的關(guān)注和重視。深紫外線（UVC）波長(zhǎng)短（200~280 nm）、能量高，能在短時(shí)間內(nèi)破壞微生物細(xì)胞中的DNA和RNA遺傳物質(zhì)分子，使其立即死亡或者無(wú)法繁殖，可實(shí)現(xiàn)高效快速的廣譜殺菌效果。相比于傳統(tǒng)的紫外汞燈光源，基于第三代半導(dǎo)體材料AlGaN的深紫外LED具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶方便、無(wú)需預(yù)熱、安全環(huán)保、不產(chǎn)生臭氧等優(yōu)點(diǎn)，隨著國(guó)際《水俁公約》的實(shí)施，將逐步取代汞燈成為主要的深紫外固態(tài)光源。目前常見(jiàn)的深紫外LED光源多為單點(diǎn)模式，集成化程度不高，光輸出功率低，無(wú)法滿足高效快速的殺菌要求。因此，開(kāi)發(fā)高功率的深紫外LED集成光源是實(shí)現(xiàn)深紫外LED在殺菌消毒領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的必經(jīng)之路。

 

廣東省松山湖材料實(shí)驗(yàn)室第三代半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué)王新強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)合作，采用COB集成技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了275 nm、265 nm及255 nm三種波長(zhǎng)的瓦級(jí)輸出功率的深紫外LED集成光源，其最高輸出功率達(dá)到1.88 W。光源采用密集排布的芯片陣列，195顆芯片以15串13并的方式接入電路，發(fā)光區(qū)域僅為3.4 cm × 3.4 cm，出光均勻。通過(guò)采用AlN高導(dǎo)熱陶瓷基板，并配備銅散熱板和散熱風(fēng)扇，有效地提高了集成光源的散熱性能。由于其極高的輸出功率，深紫外LED集成光源展示了優(yōu)異的殺菌效果。對(duì)于表面殺菌場(chǎng)景，1 s內(nèi)即實(shí)現(xiàn)了對(duì)距離5 cm處的金黃色葡萄球菌、大腸桿菌及白色念珠菌等多種代表性致病菌的99.9%以上的殺滅。對(duì)于空氣殺菌場(chǎng)景，通過(guò)將其與L型鋁制風(fēng)管（帶有鼓風(fēng)風(fēng)扇）結(jié)合制備而成的空氣殺菌模組，30 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)20 m3空間內(nèi)空氣中的白色葡萄球菌超過(guò)97%的殺滅。同時(shí)，采用三種不同波長(zhǎng)的深紫外LED集成光源進(jìn)行了最佳殺菌波長(zhǎng)的探索，結(jié)果表明，在相同輻照劑量下，對(duì)于金黃色葡萄球菌，265 nm和255 nm紫外線的殺滅率相當(dāng)，均大于275 nm紫外線的殺滅率，說(shuō)明其最佳殺菌波長(zhǎng)可能在260 nm左右，與DNA的吸收峰相吻合。該工作展示了高功率深紫外LED集成光源的優(yōu)異殺菌效果，以及未來(lái)在殺菌消毒領(lǐng)域應(yīng)用中的巨大潛力。后續(xù)，該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)基于新開(kāi)發(fā)的高電光效率（WPE>5%）、多發(fā)光波長(zhǎng)（255~325 nm）的UVC/UVB-LED芯片，進(jìn)行更高功率的紫外LED集成光源的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用場(chǎng)景探索。

 

該文章以題為“Watts-Level Ultraviolet-C LED Integrated Light Sources for Efficient Surface and Air Sterilization”發(fā)表在Journal of Semiconductors上。(J. Semicond, 2022, 43(7): 072301. doi: 10.1088/1674-4926/43/7/072301)

 

圖1. 深紫外LED集成光源的（a）光輸出功率與電流關(guān)系曲線，插圖為其實(shí)物圖；（b）電壓與電流關(guān)系曲線；（c）電光轉(zhuǎn)換效率與電流關(guān)系曲線；（d）歸一化光譜。

圖2. 深紫外LED集成光源的表面殺菌效果圖。（a）金黃色葡萄球菌，殺菌前；（b）大腸桿菌，殺菌前；（c）白色念珠菌，殺菌前；（d）金黃色葡萄球菌，殺菌后；（e）大腸桿菌，殺菌后；（f）白色念珠菌，殺菌后。

 

第一作者    羅巍，男，1992年出生，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師。

 

博士畢業(yè)于北京大學(xué)物理學(xué)院，目前主要從事III族氮化物材料外延生長(zhǎng)和紫外LED光源制備相關(guān)方面的研究，包括高性能UVB/UVC-LED外延片生長(zhǎng)、高功率密度紫外LED集成光源開(kāi)發(fā)等。合作發(fā)表SCI論文20余篇，合作申請(qǐng)發(fā)明專利6項(xiàng)。

 

 

通訊作者   康俊杰，男，1988年出生，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室副研究員。

 

博士畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，研究領(lǐng)域?yàn)榘雽?dǎo)體光電子材料生長(zhǎng)和器件制備、微納結(jié)構(gòu)制備、低溫光譜分析等，目前的研究方向?yàn)锳lGaN基紫外LED的外延生長(zhǎng)和芯片驗(yàn)證分析，波長(zhǎng)涵蓋255、265、275、295、308、325nm等。合作發(fā)表SCI收錄論文40余篇，SCI引用超過(guò)700。近年來(lái)，主持廣東省青年科學(xué)基金1項(xiàng)、重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)，參與廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃多項(xiàng)。

 

 

通訊作者  王新強(qiáng)，男，1975 年出生，北京大學(xué)博雅特聘教授。

 

主要從事寬禁帶半導(dǎo)體材料、物理與器件研究。采用新型邊界溫度外延法實(shí)現(xiàn)了具有高室溫電子遷移率的InN薄膜，確定了實(shí)現(xiàn)p型InN的鎂濃度范圍及鎂受主激活能，測(cè)定了InN的空穴遷移率等材料參數(shù)；在藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)了GaN基共振隧穿二極管原型器件；實(shí)現(xiàn)了高輸出功率電子束泵浦深紫外光源和大功率深紫外 LEDs。發(fā)表論文 240 余篇，SCI 引用 3800 多次，申請(qǐng)/獲得發(fā)明專利二十余項(xiàng)。

 

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