新冠病毒肺炎疫情在全球的蔓延，引發了人們對日常消殺和衛生健康方面的關注和重視。深紫外線（UVC）波長短（200~280 nm）、能量高，能在短時間內破壞微生物細胞中的DNA和RNA遺傳物質分子，使其立即死亡或者無法繁殖，可實現高效快速的廣譜殺菌效果。相比于傳統的紫外汞燈光源，基于第三代半導體材料AlGaN的深紫外LED具有體積小、結構簡單、攜帶方便、無需預熱、安全環保、不產生臭氧等優點，隨著國際《水俁公約》的實施，將逐步取代汞燈成為主要的深紫外固態光源。目前常見的深紫外LED光源多為單點模式，集成化程度不高，光輸出功率低，無法滿足高效快速的殺菌要求。因此，開發高功率的深紫外LED集成光源是實現深紫外LED在殺菌消毒領域大規模應用的必經之路。
廣東省松山湖材料實驗室第三代半導體團隊和北京大學王新強教授團隊合作，采用COB集成技術設計開發了275 nm、265 nm及255 nm三種波長的瓦級輸出功率的深紫外LED集成光源，其最高輸出功率達到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，發光區域僅為3.4 cm × 3.4 cm，出光均勻。通過采用AlN高導熱陶瓷基板，并配備銅散熱板和散熱風扇，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集成光源展示了優異的殺菌效果。對于表面殺菌場景，1 s內即實現了對距離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。對于空氣殺菌場景，通過將其與L型鋁制風管（帶有鼓風風扇）結合制備而成的空氣殺菌模組，30 min內實現了對20 m3空間內空氣中的白色葡萄球菌超過97%的殺滅。同時，采用三種不同波長的深紫外LED集成光源進行了最佳殺菌波長的探索，結果表明，在相同輻照劑量下，對于金黃色葡萄球菌，265 nm和255 nm紫外線的殺滅率相當，均大于275 nm紫外線的殺滅率，說明其最佳殺菌波長可能在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集成光源的優異殺菌效果，以及未來在殺菌消毒領域應用中的巨大潛力。后續，該團隊將繼續基于新開發的高電光效率（WPE>5%）、多發光波長（255~325 nm）的UVC/UVB-LED芯片，進行更高功率的紫外LED集成光源的開發及應用場景探索。
該文章以題為“Watts-Level Ultraviolet-C LED Integrated Light Sources for Efficient Surface and Air Sterilization”發表在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系曲線，插圖為其實物圖；（b）電壓與電流關系曲線；（c）電光轉換效率與電流關系曲線；（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。
作者簡介
第一作者 羅巍，男，1992年出生，松山湖材料實驗室高級工程師。
博士畢業于北京大學物理學院，目前主要從事III族氮化物材料外延生長和紫外LED光源制備相關方面的研究，包括高性能UVB/UVC-LED外延片生長、高功率密度紫外LED集成光源開發等。合作發表SCI論文20余篇，合作申請發明專利6項。
通訊作者 康俊杰，男，1988年出生，松山湖材料實驗室副研究員。
博士畢業于中國科學院半導體研究所，研究領域為半導體光電子材料生長和器件制備、微納結構制備、低溫光譜分析等，目前的研究方向為AlGaN基紫外LED的外延生長和芯片驗證分析，波長涵蓋255、265、275、295、308、325nm等。合作發表SCI收錄論文40余篇，SCI引用超過700。近年來，主持廣東省青年科學基金1項、重點項目1項，參與廣東省重點研發計劃多項。
通訊作者 王新強，男，1975 年出生，北京大學博雅特聘教授。
主要從事寬禁帶半導體材料、物理與器件研究。采用新型邊界溫度外延法實現了具有高室溫電子遷移率的InN薄膜，確定了實現p型InN的鎂濃度范圍及鎂受主激活能，測定了InN的空穴遷移率等材料參數；在藍寶石襯底上實現了GaN基共振隧穿二極管原型器件；實現了高輸出功率電子束泵浦深紫外光源和大功率深紫外 LEDs。發表論文 240 余篇，SCI 引用 3800 多次，申請/獲得發明專利二十余項。
論文信息：
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
（來源：半導體學報）
