不同驱动电流条件下260-265 nm AlGaN基UVC LED的光学退化与寿命评估及其在消毒系统中的意义

《Applied Sciences》：Optical Degradation and Lifetime Assessment of 260–265 nm AlGaN-Based UVC LEDs Under Varying Drive-Current Regimes for Disinfection Systems

本综述系统评估了260 nm与265 nm UVC LED在模拟实际消毒系统工况下的光学退化行为，揭示了驱动电流对寿命指标（L70等）的非线性影响。研究发现20%的电流降额可使L70寿命提升四倍以上，且265 nm器件较260 nm器件表现出更优的稳定性。研究强调基于Ruschel对数模型的光学衰减拟合可为消毒系统可靠性设计提供关键参数，为无汞紫外消毒技术的产业化应用提供实验依据。

　　

光学退化与寿命评估的实验设计

本研究针对260 nm与265 nm两种波长的AlGaN基UVC LED展开系统性老化实验，模拟消费级和专业消毒系统的实际工作条件。实验选取24个器件（每组波长12个），在热沉温度稳定为60°C的条件下，采用从低待机电流到最大额定电流的宽范围驱动方案进行2000小时连续测试。通过辐射度与光谱数据监测，重点分析光学功率衰减趋势与寿命指标（L₉₀、L₈₀、L₇₀、L₅₀）的统计规律。

光学输出功率随时间退化规律

实验初期所有器件均出现1.0-4.9%的初始功率衰减，表现为早期失效特征。在长期老化过程中，260 nm LED在额定电流（100 mA）下表现出更快的衰减速率，2000小时后功率保留率仅为69%，而265 nm LED在同等热条件下（250 mA驱动）仍保持80%以上的输出。值得注意的是，脉冲宽度调制（PWM）驱动的260 nm器件（A11）在800-1100小时出现加速退化阶段，最终于1600小时发生灾难性失效。对比不同电流密度的影响发现，将260 nm LED的驱动电流从150 mA降至40 mA时，L₇₀寿命从135小时延长至51,500小时以上，呈现超线性增长关系。

退化建模与寿命预测方法

通过对比单/双/三指数模型、Glaab半经验模型、Zhang混合模型与Ruschel对数模型的拟合效果，发现Ruschel函数最能准确描述长期退化趋势（R²>0.98）。基于该模型 extrapolation 的寿命预测显示：265 nm LED在250 mA驱动下的平均L₇₀寿命达122,000小时，而260 nm LED在100 mA下仅为1,070小时。模型参数的一致性证实电流密度是驱动退化的关键因素，其关系符合幂律规律L_p∝ I^-m。

驱动电流与温度效应的交互影响

电流依赖性分析表明，老化过程中高电流与低电流下的光学功率衰减并不同步。260 nm LED的OP_150mA/OP_100mA比值从1.35升至1.52，反映出低电流工况的退化更显著。热特性测试发现，老化后器件对温度敏感性增加：265 nm LED的温度系数从-0.5%/°C恶化至-0.6%/°C，而260 nm器件在高温区出现更剧烈的热淬灭现象。这种热稳定性下降与AlGaN材料中缺陷辅助的非辐射复合增强密切相关。

发射光谱稳定性特征

尽管光学功率显著衰减，两种LED的峰值波长（λ_p）与半高宽（FWHM）在2000小时内变化均小于0.5 nm。260 nm器件的FWHM稳定在11 nm，265 nm器件保持在13 nm，表明量子阱结构在电应力下保持稳定。该特性确保器件在整个寿命周期内维持260-265 nm波段的最佳杀菌效果，无需担心光谱偏移导致的消毒效率损失。

寿命周期内累积辐射能量分析

通过积分退化曲线计算发现，电流降额可大幅提升总辐射能量输出。260 nm LED在40 mA驱动下至L₅₀的累积能量达10.1 MJ，较150 mA驱动（34 kJ）提升两个数量级。265 nm器件表现出更大异质性，但整体呈现相似规律：250 mA驱动下L₉₀对应能量为125 kJ，而200 mA驱动时可提升至385 kJ。这种非线性收益凸显了"以时间换能量"的优化策略在消毒系统设计中的价值。

讨论与工程化启示

实验结果证实短波长UVC LED对电流密度和结温度具有更高敏感性。265 nm器件优越的稳定性可能源于其更大的芯片面积和优化的外延结构，但本研究中不同厂商的器件差异限制了直接对比的普适性。统计变异性的存在（260 nm组L₇₀寿命波动超20%）强调需要基于种群水平的可靠性评估。建议消毒系统设计采用动态电流补偿机制时，需为260 nm器件预留5倍以上的电流余量，而265 nm器件仅需30%余量即可实现功率稳定。

结论与展望

本研究通过多电流加速老化实验，建立了UVC LED光学退化与驱动条件的定量关系。Ruschel对数模型为寿命预测提供可靠工具，光谱稳定性证实光学监测的有效性。未来工作将结合电学参数退化分析，进一步揭示AlGaN基深紫外LED的失效物理机制。当前数据表明，通过20-40%的电流降额与优化热管理，可显著延长消毒系统的有效服务寿命，为无汞紫外技术的产业化应用提供关键技术支撑。