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可靠性与测试 GaN器件 可靠性分析 ★ 4.0

自监测高可靠性254 nm AlGaN紫外杀菌集成模块

Self-Monitoring High-Reliability 254 nm AlGaN Integrated Module for Ultraviolet Bacterial Inactivation

作者
期刊 IEEE Electron Device Letters
出版日期 2025年1月
技术分类 可靠性与测试
技术标签 GaN器件 可靠性分析
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 254 nm AlGaN LED LED与PD集成设备 实时光输出功率监测 杀菌效果 深紫外设备可靠性
语言:

中文摘要

传统的254 nm汞灯存在严重局限性,包括环境污染和使用寿命短等问题。为取代它们,本研究致力于开发内量子效率达84.0%的254 nm氮化铝镓(AlGaN)发光二极管(LED),并提出一种能够实时监测光输出功率(LOP)的LED与光电探测器(PD)集成器件。优化后的集成器件表现出卓越性能:在零偏压下,光电流与暗电流之比超过10⁵,自驱动光电探测器的响应度、比探测率和外量子效率分别为5.44 A/W、1.72×10¹¹ Jones和2659%。此外,我们封装了一个高功率4×4 LED - PD阵列模块,并建立了一个将LED光输出功率与光电探测器光电流相关联的定量模型。该模块展现出卓越的杀菌效果,在照射1秒内即可实现对金黄色葡萄球菌99.9%的灭活率。这种具有内在自我监测能力的集成架构提高了高功率深紫外(DUV)器件的运行可靠性,从而推动了它们在先进消毒系统中的实际应用。

English Abstract

Conventional 254 nm mercury lamps suffer from critical limitations including environmental contamination and short operational lifetime. To replace them, this study focuses on the development of 254 nm AlGaN light emitting diode (LED) with internal quantum efficiency of 84.0%, and proposes a LED and photodetector (PD) integrated device capable of real-time light out power (LOP) monitoring. The optimized integrated devices demonstrate remarkable performance: a photo-to-dark current ratio exceeding 105 at zero bias voltage, and the responsivity, specific detectivity and external quantum efficiency of self-driven PDs are 5.44 A/W, 1.72 10 ^ {11} Jones and 2659%, respectively. Furthermore, we have packaged a high-power 4 4 LED-PD array module and established a quantitative model correlating the LED LOP with the PD photocurrent. The module demonstrates superior germicidal efficacy, achieving 99.9% inactivation of Staphylococcus aureus within 1 second of irradiation. This integrated architecture with inherent self-monitoring capability enhances the operational reliability of high-power DUV devices, thereby advancing their practical applications in advanced disinfection systems.
S

SunView 深度解读

从阳光电源新能源综合解决方案的业务视角来看,这项254nm深紫外AlGaN集成模块技术虽非直接应用于光伏发电或储能系统,但在清洁能源生态系统的扩展应用场景中具有战略价值。

该技术的核心突破在于LED-PD集成架构实现了自监测功能,这与阳光电源在逆变器、储能系统中强调的智能监控理念高度契合。84%的内量子效率和超过10⁵的光暗电流比展现出优异的光电转换性能,这种高效率、高可靠性的设计思路可借鉴至光伏系统的光电监测模块。特别是其自驱动光电探测器实现零偏压工作,与阳光电源追求的低功耗、高集成度系统设计目标一致。

从应用场景看,该技术在分布式光伏电站、储能集装箱等封闭或半封闭环境中具有实际价值。光伏电站运维中的设备舱室消毒、储能系统的空气净化需求日益凸显,1秒内实现99.9%灭菌率的高效杀菌能力可作为系统附加功能模块。更重要的是,LED-PD集成模块的实时监测能力可纳入阳光电源的iSolarCloud智慧能源管理平台,实现远程健康状态诊断。

技术挑战主要在于成本控制和系统集成。深紫外LED目前成本较高,需评估在新能源设备中的性价比。此外,该技术与现有产品线的协同整合需要跨学科团队协作。机遇在于,随着"双碳"目标推进,清洁能源设备的健康安全标准提升,该技术可成为阳光电源差异化竞争的技术储备,拓展智慧运维和环境健康管理的增值服务领域。