Wynalezienie niebieskiej diody LED (diody elektroluminescencyjnej), która przez wiele lat była uważana za trudną do osiągnięcia, dała początek energooszczędnym i długowiecznym oprawom oświetleniowym i wyświetlaczom, które w ogromnym stopniu zmieniły świat. Jednym z najnowszych badań pionierskich jest to, że może produkować diody LED UV o krótszych długościach fal niż niebieskie diody LED.
Wśród promieni ultrafioletowych, głębokie promienie ultrafioletowe o szczególnie krótkiej długości fali mają duże możliwości sterylizacji i oczekuje się, że będą stosowane w fabrykach i oczyszczalniach wody (Rysunek 1). Większość stosowanych obecnie lamp bakteriobójczych wykorzystuje rtęć, ale wraz z wejściem w życie w 2017 r. traktatu z Minamaty w sprawie rtęci społeczność międzynarodowa rozpoczęła prace nad zmniejszeniem zużycia rtęci. W tym kontekście oczekuje się, że diody LED w głębokim ultrafiolecie UVC. Na rynku zaczęły pojawiać się produkty wykorzystujące diody LED o głębokim nadfiolecie, ale obecna skuteczność świetlna i moc wyjściowa są niewystarczające.
Hirayama, który rozpoczął badania nad diodami LED UV w 1996 roku, powiedział z przekonaniem: „Chociaż konkurencja w zakresie rozwoju jest zacięta, opracowana przez nas dioda LED UVC z głębokim promieniowaniem UV osiągnęła najwyższą na świecie skuteczność świetlną wynoszącą 20,3%. Jeśli jednak chcemy osiągnąć szerokie zastosowanie, skuteczność świetlna będzie wymagała dalszej poprawy, aby przewyższyć niskoprężną lampę rtęciową stosowaną jako lampa bakteriobójcza, a aktualnym celem jest przekroczenie 30%.&cyt;
Podstawową strukturą diody LED jest złącze pn utworzone przez połączenie półprzewodnika typu n z większą liczbą elektronów i półprzewodnika typu p z niewystarczającą ilością elektronów (z dziurami). Po przyłożeniu napięcia elektrony i dziury łączą się, aby emitować światło, ale kolor (długość fali) światła i napięcie wymagane do wyemitowania światła są różne w zależności od rodzaju półprzewodnika. W celu opracowania półprzewodników, które mogą generować światło o pożądanej długości fali, wielu badaczy zbadało różne materiały. Hirayama powiedział:&„Jeżeli może emitować światło tylko w obszarze ultrafioletowym, nie jest to praktyczne. Ponieważ musi również emitować światło wydajniej niż poprzednie źródła światła i może być produkowany masowo przy niższych kosztach.&cyt; Oczekuje się, że azotek glinowo-galowy (AlGaN) jest stosunkowo obiecującym materiałem, ale istnieje wiele problemów.
Nowa technologia, która może generować czyste kryształy, diody LED tworzą połączenia pn poprzez hodowanie kryształów o uporządkowanych atomach na podstawowej substancji (substracie). Podłoże półprzewodnikowe wykorzystuje tani szafir (Al2O3), ale ze względu na różnicę odległości (stała sieciowa) między atomami tworzącymi kryształ, kryształ AlGaN ulega deformacji podczas wzrostu, powodując defekty zwane defektami sieciowymi. Pęknięcia, które rozszerzają się wzdłuż linii defektu, nazywane są defektami krystalicznymi. Wraz ze wzrostem gęstości defektów (gęstość przemieszczenia gwintu) spada skuteczność świetlna.
Niebieskie diody LED muszą tworzyć warstwę krystaliczną azotku galu (GaN) z mniejszą liczbą defektów na podłożu. Technologia do realizacji tego filmu została opracowana przez profesora zdobywcy nagrody Nobla na Uniwersytecie Meijo, Isamu Akasaki. W przypadku diod LED o głębokim ultrafiolecie, na podłożu tworzy się warstwa kryształu azotku aluminium (AlN), na której hoduje się kryształ AlGaN. Ustanowiono wysokiej jakości folię AlN na podłożu w celu zmniejszenia defektów. Przypomniał:&„Ta metoda dokonała przełomu w poprawie skuteczności świetlnej, przewyższając amerykański zespół badawczy konkurenta'.&cyt;
Kryształy AlN są wytwarzane przez metaloorganiczne chemiczne osadzanie z fazy gazowej (MOCVD). Materiał gazowy jest dostarczany na szafirowe podłoże w wysokiej temperaturze około 1400 stopni, aby rósł w postaci kryształu. W metodzie opracowanej przez Hirayama najpierw rośnie azotek AlN jako rdzeń na podłożu, a następnie pulsuje gazowy amoniak, który powoduje jego wzrost na boki, aby wypełnić szczelinę między rdzeniem. Następnie gaz jest stale dostarczany w celu ustawienia ich w stosie w pionie. Powtarzając ten proces wzrostu kryształów, można utworzyć wysokiej jakości warstwę AlN bez pęknięć (rysunek 2). Powiedział:"Aby uzyskać czyste kryształy, musisz dokładnie kontrolować stężenie gazu, szybkość przepływu i temperaturę reakcji itp. Przepływ gazu łatwo jest burzliwy w wysokich temperaturach i wymaga dużego doświadczenia. Dlatego sprzęt jest częściowo wykonywany samodzielnie i modyfikowany w razie potrzeby.&cyt; .
Popraw wydajność świetlną, pracując nad strukturą
Skuteczność świetlna związana jest z 3 czynnikami. Pierwsza to&„wewnętrzna sprawność kwantowa &”; druga to&„sprawność wtrysku elektronów &”; a trzecia to&„sprawność ekstrakcji światła &” ;. Hirayama ciężko pracuje nad poprawą tych trzech sprawności.
Wewnętrzna sprawność kwantowa to wartość wskazująca stosunek par elektronów i dziur generowanych przez prąd do emitowania światła i wskazuje stopień, w jakim warstwa emitująca światło emituje światło płynnie. Dzięki starannemu wzrostowi kryształu i zmniejszeniu defektów, wewnętrzna wydajność kwantowa została pomyślnie poprawiona.
Wydajność wstrzykiwania elektronów odnosi się do proporcji elektronów, które wchodzą do warstwy emitującej światło we wstrzykiwanym prądzie. Konwencjonalna dioda LED UV w głębokim ultrafiolecie ma problem polegający na tym, że wstrzykiwane elektrony nie wchodzą do warstwy emitującej światło, ale przeciekają od strony warstwy p.
We wstępie czytamy:&„Powodem jest to, że liczba dziur w półprzewodniku typu p nie jest zrównoważona liczbą elektronów w półprzewodniku typu n”. Ponieważ trudno jest zwiększyć liczbę dziur, tworzy się warstwa blokująca elektrony (bariera wielokwantowa), która odbija niezwiązane elektrony, które przechodzą bezpośrednio. , Skutecznie połączone" (Rysunek 3). W rezultacie znacznie poprawiono wydajność wstrzykiwania elektronów.
Sen ma być nakładany na laserowe źródło światła
Opracowana przez AlGaN dioda LED UV w głębokim ultrafiolecie ma również zalety w zakresie zastosowań. Wyraził wyczekująco:"Zmieniając skład kryształu, można regulować długość fali głębokiego ultrafioletu. To także cecha. Obecnie diody LED UVC w głębokim ultrafiolecie zostały zaimplementowane w paśmie 222-351 nm. Możesz dowolnie generować żądaną długość fali zgodnie z aplikacją. Głębokie światło ultrafioletowe, takie jak światło około 310 nanometrów stosowane w leczeniu atopowego zapalenia skóry i łuszczycy itp."
To jest technologia w fazie rozwoju. Moc wyjściową należy zwiększyć z obecnych dziesiątek miliwatów do kilku watów. Oczekuje się, że w przyszłości będzie stosowany w sterylizacji, uzdatnianiu wody, oczyszczaniu powietrza, leczeniu, przemyśle biochemicznym, utwardzaniu i przetwarzaniu żywic oraz drukowaniu. Oraz malarstwo i inne dziedziny.
Patrząc w przyszłość, powiedział:"W przyszłości planujemy opracować głęboką ultrafioletową diodę laserową (LD), która może osiągnąć większą moc wyjściową. Jeśli jest to możliwe, powinno również być w stanie rozłożyć nośniki pamięci o dużej pojemności i szkodliwe substancje, które przekraczają pojemność dysków Blu-ray.&cyt;
Przestrzeń rozwojowa diod LED UVC w głębokim ultrafiolecie jest nadal bardzo duża.
