Vynález modré LED (diody vyzařující světlo), který byl po mnoho let považován za obtížně dostupný, dal vzniku energeticky úsporných a dlouhotrvajících svítidel a displejů, které výrazně změnily svět. Jedním z nejnovějších hraničních výzkumů je, že může produkovat UV LED diody s kratší vlnovou délkou než modré LED.
Mezi ultrafialovými paprsky mají hluboké ultrafialové paprsky s obzvláště krátkou vlnovou délkou vysoké sterilizační schopnosti a očekává se, že budou použity v továrnách a zařízeních na čištění vody (obrázek 1). Většina germicidních lamp, které se v současné době používají, používá rtuť, ale se vstupem Minamatské smlouvy o rtuti v platnost v roce 2017 začalo mezinárodní společenství pracovat na omezení používání rtuti. V této souvislosti se očekávají hluboké ultrafialové UVC LED diody. Výrobky používající hluboké ultrafialové LED diody začaly být uváděny na trh, ale současná světelná účinnost a výstupní výkon jsou nedostatečné.
Hirayama, který začal zkoumat UV LED v roce 1996, s důvěrou řekl: "Přestože je vývojová konkurence divoká, hluboká UVC LED, kterou jsme vyvinuli, dosáhla nejvyšší světelné účinnosti na světě 20,3%. Chceme-li však dosáhnout širokého využití, bude třeba dále zlepšit účinnost svítidla, aby se překonala nízkotlaké rtuťová lampa používaná jako zárodečná lampa, a současným cílem je překročit 30%."
Základní strukturou LED je pn spojením n-typu polovodiče s více elektrony a polovodičem typu P s nedostatečnými elektrony (s otvory). Po namáhalí napětí se elektrony a otvory kombinují, aby vyzařovaly světlo, ale barva (vlnová délka) světla a napětí potřebné k vyzařování světla se liší v závislosti na typu polovodiče. Za účelem vývoju polovodičů, které mohou generovat světlo požadované vlnové délky, velké množství vědců prozkoumalo různé materiály. Hirayama řekl: "Pokud může vyzařovat světlo pouze v oblasti ultrafialového záření, není to praktické. Protože také potřebuje vyzařovat světlo efektivněji než předchozí světelné zdroje a může být sériově vyráběno za nižší cenu." Hliníkový nitrin galiový (AlGaN) se očekává jako relativně slibný materiál, ale existuje mnoho problémů.
Nová technologie, která dokáže generovat úhledné krystaly, LED tvoří pn spojení pěstováním krystalů s uspořádanými atomy na základní látce (substrát). Polovodičový substrát používá levný safír (Al2O3), ale kvůli rozdílu ve vzdálenosti (mřížková konstanta) mezi atomy, které tvoří krystal, je krystal AlGaN deformován, když roste, což způsobuje vady nazývané mřížkové vady. Trhliny, které se rozšiřují podél linie defektů, se nazývají krystalové vady. Pokud se hustota defektu (hustota dislokace závitu) zvýší, sníží se účinnost osvětlení.
Modré LED diody musí tvořit krystalovou fór gallia dusid (GaN) s menším počtem defektů na substrátu. Technologii k realizaci tohoto filmu vyvinul profesor oceněný Nobelovou cenou na Meijo University, Isamu Akasaki. Pro hluboké ultrafialové LED diody se na substrátu vytvoří krystalový film z hliníkového dusidu (AlN) a na něm se pěstuje krystal AlGaN. Na podkladu byl vytvořen vysoce kvalitní film AlN, aby se snížily vady. Připomněl: "Tato metoda učinila průlom ve zlepšování světelné účinnosti a překonala americký výzkumný tým konkurenta."
AlN krystaly jsou vyráběny kovovou organickou chemickou depozicí par (MOCVD). Plynný materiál je dodáván do substrátu safíru při vysoké teplotě asi 1400 stupňů, aby rostl jako krystal. Metoda vyvinutá Hirayamou nejprve pěstuje nitrát AlN jako jádro na substrátu a fouká čpavkový plyn v pulsu, aby se pěstoval laterálně, aby vyplnil mezeru mezi jádrem. Poté je plyn průběžně dodáván, aby je stohovat svisle. Opakováním tohoto procesu růstu krystalů lze vytvořit vysoce kvalitní vrstvu AlN bez trhlin (obrázek 2). Řekl: "Chcete-ě-ě vyrobit úhledné krystaly, musíte jemně kontrolovat koncentraci plynu, průtok a reakční teplotu atd. Tok plynu je při vysokých teplotách snadno turbulentní a vyžaduje bohaté zkušenosti. Proto je zařízení částečně samozásobení a podle potřeby upraveno." .
Zlepšete účinnost svítivosti prací na konstrukci
Účinnost svítivosti souvisí se 3 faktory. První je "vnitřní kvantová účinnost", druhá je "účinnost vstřikování elektronů" a třetí je "účinnost extrakce světla". Hirayama tvrdě pracuje na zlepšení těchto tří efektivit.
Vnitřní kvantová účinnost je hodnota indikující poměr párů elektronů a děr generovaných proudem k vyzařování světla a indikuje, do jaké míry vrstva vyzařující světlo vyzařuje světlo hladce. Díky tomu, že krystal roste úhledně a snižuje vady, byla úspěšně vylepšena vnitřní kvantová účinnost.
Účinnost vstřikování elektronů se vztahuje k podílu elektronů, které vstupují do vrstvy vyzařující světlo v vstřikované proudě. Konvenční hluboká ultrafialová UV LED dioda má problém s tím, že vstřikované elektrony nevstupovat do vrstvy vyzařující světlo, ale unikat ze strany vrstvy p.
Úvod říká: "Důvodem je, že počet otvorů v polovodiče typu p není vyvážen počtem elektronů v polovodiče typu n. Vzhledem k tomu, že je obtížné zvýšit počet otvorů, vytvoří se vrstva blokující elektrony (multi-kvantová bariéra), která odráží nevázané elektrony, které procházejí přímo. , Účinně kombinovány" (obrázek 3). V důsledku toho se výrazně zlepšuje účinnost vstřikování elektronů.
Sen se aplikuje na laserový světelný zdroj
Hluboká ultrafialová UV LED vyvinutá společností AlGaN má také výhody v aplikační řadě. S očekáváním vyjádřil: "Změnou složení krystalu lze upravit vlnovou délku hlubokého ultrafialového záření. To je také funkce. V současné době jsou v pásmu 222-351 nm implementovány hluboké ultrafialové UVC LED. Můžete volně generovat požadovanou vlnovou délku podle aplikace. Hluboké ultrafialové světlo, jako je světlo asi 310 nanometrů používaných k léčbě aortální dermatitidy a psoriázy atd."
Jedná se o technologii ve vývoji. Výstupní výkon musí být zvýšen ze současných desítek miliwattů na několik wattů. Očekává se, že bude v budoucnu použit při sterilizaci, čištění vody, čištění vzduchu, lékařské péči, biochemickém průmyslu, kalení a zpracování pryskyřice. A malování a další pole.
Při pohledu do budoucnosti řekl: "V budoucnu plánujeme vyvinout hlubokou ultrafialovou laserovou diodu (LD), která může dosáhnout vyššího výstupního výkonu. Pokud toho lze dosáhnout, měla by být také schopna rozkládat velkokapacitní paměťová média a škodlivé látky, které přesahují kapacitu disků Blu-ray."
Vývojový prostor hluboké ultrafialové UVC LED je stále velmi velký.
