Oppfinnelsen av blå LED (lysemitterende diode), som har blitt ansett som vanskelig å oppnå i mange år, fødte energisparende og lang levetid lysarmaturer og skjermer, noe som forandret verden sterkt. En av de siste grenseundersøkelsene er at den kan produsere UV -lysdioder med kortere bølgelengder enn blå lysdioder.
Blant ultrafiolette stråler har dype ultrafiolette stråler med en spesielt kort bølgelengde høy steriliseringsevne og forventes å bli brukt på fabrikker og vannrenseanlegg (figur 1). De fleste av de bakteriedrepende lampene som er i bruk, bruker kvikksølv, men med ikrafttredelsen av Minamata -traktaten om kvikksølv i 2017 har det internasjonale samfunnet begynt å arbeide for å redusere bruken av kvikksølv. I denne sammenhengen forventes dype ultrafiolette UVC -lysdioder. Produkter som bruker dype ultrafiolette lysdioder har begynt å komme på markedet, men dagens lysstyrke og utgangseffekt er utilstrekkelig.
Hirayama, som begynte å forske på UV -lysdioder i 1996, sa med tillit: «Selv om utviklingskonkurransen er hard, har den dype UV UVC -LEDen vi utviklet oppnådd verdens høyeste lyseffektivitet på 20,3%. Imidlertid, hvis vi ønsker å oppnå utbredt bruk, vil lyseffektiviteten være Det må forbedres ytterligere for å overskride lavtrykks kvikksølvlampe som brukes som en bakteriedrepende lampe, og det nåværende målet er å overstige 30%."
Den grunnleggende strukturen til en LED er et pn-kryss som dannes ved å koble en n-type halvleder med flere elektroner og en p-type halvleder med utilstrekkelige elektroner (med hull). Etter at en spenning er påført, kombineres elektroner og hull for å avgi lys, men lysets farge (bølgelengde) og spenningen som kreves for å avgi lys er forskjellige avhengig av typen halvleder. For å utvikle halvledere som kan generere lys med ønsket bølgelengde, har et stort antall forskere utforsket forskjellige materialer. Hirayama sa:" Hvis det bare kan avgi lys i det ultrafiolette området, er det ikke praktisk. Fordi det også trenger å avgi lys mer effektivt enn tidligere lyskilder, og kan masseproduseres til en lavere kostnad." Aluminium galliumnitrid (AlGaN) forventes som et relativt lovende materiale, men det er mange problemer.
En ny teknologi som kan generere rene krystaller, lysdioder danner pn -kryss ved å dyrke krystaller med ordnede atomer på et grunnstoff (substrat). Halvledersubstratet bruker billig safir (Al2O3), men på grunn av forskjellen i avstanden (gitterkonstant) mellom atomene som utgjør krystallet, blir AlGaN -krystallet deformert når det vokser, og forårsaker defekter som kalles gitterdefekter. Sprekker som ekspanderer langs defektlinjen kalles krystalldefekter. Hvis defekttettheten (tråddislokasjonstettheten) øker, reduseres lyseffektiviteten.
Blå lysdioder må danne en galliumnitrid (GaN) krystallfilm med færre defekter på underlaget. Teknologien for å realisere denne filmen ble utviklet av den nobelprisvinnende professoren ved Meijo University, Isamu Akasaki. For dype ultrafiolette lysdioder dannes en aluminiumnitrid (AlN) krystallfilm på underlaget og AlGaN -krystall dyrkes på den. Etablert en AlN-film av høy kvalitet på underlaget for å redusere feil. Han husket:" Denne metoden har gjort et gjennombrudd for å forbedre lyseffektiviteten og overgått konkurrentens&amerikanske forskerteam."
AlN -krystaller produseres ved metallisk organisk kjemisk dampavsetning (MOCVD). Det gassformige materialet tilføres safirunderlaget ved en høy temperatur på ca 1400 grader for å få det til å vokse som en krystall. Metoden utviklet av Hirayama dyrker først AlN nitrid som kjernen på underlaget, og blåser ammoniakkgass i en puls for å få den til å vokse lateralt for å fylle gapet mellom kjernen. Deretter tilføres gassen kontinuerlig for å stable dem vertikalt. Ved å gjenta denne krystallvekstprosessen, kan det dannes et AlN-lag av høy kvalitet uten sprekker (figur 2). Sa:" For å lage pene krystaller, må du kontrollere gasskonsentrasjonen, strømningshastigheten og reaksjonstemperaturen osv. Gassstrømmen er lett å være turbulent ved høye temperaturer og krever mye erfaring. Derfor er utstyret semi-selvlaget og modifisert etter behov." .
Forbedre lyseffektiviteten ved å jobbe med strukturen
Lysvirkningen er relatert til 3 faktorer. Den første er &, intern kvanteeffektivitet &, den andre er &, elektroninjeksjonseffektivitet &, og den tredje er &, lysekstraksjonseffektivitet&;. Hirayama jobber hardt med å forbedre disse tre effektivitetene.
Den interne kvanteeffektiviteten er en verdi som indikerer forholdet mellom elektron- og hullpar som genereres av strøm for å avgi lys, og angir i hvilken grad det lysemitterende laget avgir lys jevnt. Ved å få krystallet til å vokse pent og redusere feil, har den interne kvanteeffektiviteten blitt forbedret.
Elektroninjeksjonseffektiviteten refererer til andelen elektroner som kommer inn i det lysemitterende laget i den injiserte strømmen. Den konvensjonelle dype ultrafiolette UV LED har et problem med at de injiserte elektronene ikke kommer inn i det lysemitterende laget, men lekker fra p-lagsiden.
Innledningen sa:" Årsaken er at antall hull i halvlederen av p-typen ikke er balansert med antall elektroner i n-type halvleder. Fordi det er vanskelig å øke antall hull, dannes et elektronblokkerende lag (multi-kvantebarriere) for å reflektere de ubundne elektronene som passerer direkte. , Effektivt kombinert" (Figur 3). Som et resultat er elektroninjeksjonseffektiviteten betydelig forbedret.
Drøm skal brukes på laserlyskilde
Den dype ultrafiolette UV LED utviklet av AlGaN har også fordeler i bruksområdet. Han uttrykte forventningsfullt:" Ved å endre krystallets sammensetning kan bølgelengden til dyp ultrafiolett justeres. Dette er også en funksjon. For tiden har dype ultrafiolette UVC-lysdioder blitt implementert i 222-351 nm-båndet. Du kan fritt generere ønsket bølgelengde i henhold til applikasjonen. Dypt ultrafiolett lys, for eksempel lys på omtrent 310 nanometer som brukes til å behandle atopisk dermatitt og psoriasis, etc."
Dette er en teknologi under utvikling. Utgangseffekten må økes fra dagens titalls milliwatt til noen få watt. Det forventes å bli brukt i sterilisering, vannrensing, luftrensing, medisinsk behandling, biokjemisk industri, harpiksherding og prosessering og utskrift i fremtiden. Og maleri og andre felt.
Med tanke på fremtiden sa han:" I fremtiden planlegger vi å utvikle en dyp ultrafiolett laserdiode (LD) som kan oppnå større utgangseffekt. Hvis det kan oppnås, bør det også kunne bryte ned lagringsmedier med stor kapasitet og skadelige stoffer som overstiger kapasiteten til Blu-ray-plater."
Utviklingsrommet til dyp ultrafiolett UVC LED er fortsatt veldig stort.
