Opfindelsen af blå LED (lysemitterende diode), som har været anset for vanskelig at opnå i mange år, fødte energibesparende og lang levetid belysningsarmaturer og displays, hvilket i høj grad ændrede verden. En af de seneste grænseforskninger er, at den kan producere UV -lysdioder med kortere bølgelængder end blå lysdioder.
Blandt ultraviolette stråler har dybe ultraviolette stråler med en særlig kort bølgelængde høje steriliseringsevner og forventes at blive brugt på fabrikker og vandrensningsanlæg (figur 1). De fleste af de bakteriedræbende lamper, der i øjeblikket er i brug, bruger kviksølv, men med ikrafttrædelsen af Minamata -traktaten om kviksølv i 2017 er det internationale samfund begyndt at arbejde for at reducere brugen af kviksølv. I denne sammenhæng forventes dybe ultraviolette UVC -lysdioder. Produkter, der anvender dybe ultraviolette lysdioder, er begyndt at komme på markedet, men den nuværende lysudbytte og udgangseffekt er utilstrækkelig.
Hirayama, der begyndte at undersøge UV -lysdioder i 1996, sagde med tillid: ”Selvom udviklingskonkurrencen er hård, har den dybe UV UVC LED, vi udviklede, opnået verdens højeste lyseffektivitet på 20,3%. Men hvis vi ønsker at opnå udbredt brug, vil lyseffektiviteten være Det skal forbedres yderligere for at overskride lavtryks kviksølvlampen, der bruges som en bakteriedræbende lampe, og det nuværende mål er at overstige 30%."
Den grundlæggende struktur for en LED er et pn-kryds, der dannes ved at forbinde en n-type halvleder med flere elektroner og en p-type halvleder med utilstrækkelige elektroner (med huller). Efter at en spænding er påført, kombineres elektroner og huller for at udsende lys, men lysets farve (bølgelængde) og spændingen, der kræves for at udsende lys, er forskellige afhængigt af typen af halvleder. For at udvikle halvledere, der kan generere lys med den ønskede bølgelængde, har et stort antal forskere undersøgt forskellige materialer. Hirayama sagde:" Hvis det kun kan udsende lys i den ultraviolette region, er det ikke praktisk. Fordi det også skal udsende lys mere effektivt end tidligere lyskilder og kan masseproduceres til en lavere pris." Aluminium galliumnitrid (AlGaN) forventes som et relativt lovende materiale, men der er mange problemer.
En ny teknologi, der kan generere pæne krystaller, LED'er danner pn -kryds ved at dyrke krystaller med ordnede atomer på et grundstof (substrat). Halvledersubstratet anvender billig safir (Al2O3), men på grund af forskellen i afstanden (gitterkonstant) mellem de atomer, der udgør krystallet, deformeres AlGaN -krystallen, når den vokser, hvilket forårsager defekter, der kaldes gitterdefekter. Revner, der udvider sig langs defektlinjen, kaldes krystaldefekter. Hvis defektdensiteten (gevinddislokationstætheden) stiger, falder lyseffektiviteten.
Blå lysdioder skal danne en galliumnitrid (GaN) krystalfilm med færre defekter på underlaget. Teknologien til at realisere denne film blev udviklet af den nobelprisvindende professor ved Meijo University, Isamu Akasaki. For dybe ultraviolette lysdioder dannes en aluminiumnitrid (AlN) krystalfilm på substratet, og der dyrkes AlGaN -krystal på den. Etablerede en AlN-film af høj kvalitet på underlaget for at reducere defekter. Han mindede om:" Denne metode har gjort et gennembrud i forbedringen af lyseffektiviteten og overgået konkurrentens' s amerikanske forskerhold."
AlN -krystaller fremstilles ved metalorganisk kemisk dampaflejring (MOCVD). Det gasformige materiale tilføres safirsubstratet ved en høj temperatur på cirka 1400 grader for at få det til at vokse som en krystal. Metoden udviklet af Hirayama dyrker først AlN -nitrid som kerne på substratet og blæser ammoniakgas i en puls for at få den til at vokse sideværts for at fylde hullet mellem kernen. Derefter tilføres gassen kontinuerligt for at stable dem lodret. Ved at gentage denne krystalvækstproces kan der dannes et AlN-lag af høj kvalitet uden revner (figur 2). Sagde:" For at lave pæne krystaller skal du fint kontrollere gaskoncentrationen, strømningshastigheden og reaktionstemperaturen osv. Gasstrømmen er let at være turbulent ved høje temperaturer og kræver et væld af erfaringer. Derfor er udstyret semi-selvfremstillet og modificeret efter behov." .
Forbedre lyseffektiviteten ved at arbejde på strukturen
Lysudbyttet er relateret til 3 faktorer. Den første er" intern kvanteeffektivitet", den anden er", elektroninjektionseffektivitet", og den tredje er" lysekstraktionseffektivitet" ;. Hirayama arbejder hårdt på at forbedre disse tre effektiviteter.
Den interne kvanteeffektivitet er en værdi, der angiver forholdet mellem elektron- og hulpar, der genereres af strøm for at udsende lys, og angiver i hvilken grad det lysemitterende lag udsender lys jævnt. Ved at få krystallen til at gro pænt og reducere defekter, er den interne kvanteeffektivitet blevet forbedret.
Elektroninjektionseffektiviteten refererer til andelen af elektroner, der kommer ind i det lysemitterende lag i den injicerede strøm. Den konventionelle dybe ultraviolette UV LED har et problem med, at de injicerede elektroner ikke kommer ind i det lysemitterende lag, men lækker fra p-lagsiden.
Indledningen sagde:" Årsagen er, at antallet af huller i p-type halvleder ikke er afbalanceret med antallet af elektroner i n-type halvleder. Fordi det er svært at øge antallet af huller, dannes et elektronblokerende lag (multi-kvantebarriere) for at afspejle de ubundne elektroner, der passerer direkte. , Effektivt kombineret" (Figur 3). Som et resultat er elektronindsprøjtningseffektiviteten stærkt forbedret.
Drøm skal anvendes på laserlyskilde
Den dybe ultraviolette UV LED udviklet af AlGaN har også fordele i anvendelsesområdet. Han udtrykte forventningsfuldt:" Ved at ændre krystallets sammensætning kan bølgelængden for dyb ultraviolet justeres. Dette er også en funktion. I øjeblikket er dybe ultraviolette UVC-lysdioder blevet implementeret i 222-351 nm-båndet. Du kan frit generere den ønskede bølgelængde i henhold til applikationen. Dybt ultraviolet lys, såsom lys på ca. 310 nanometer, der bruges til behandling af atopisk dermatitis og psoriasis osv."
Dette er en teknologi under udvikling. Udgangseffekten skal øges fra de nuværende snesevis af milliwatt til et par watt. Det forventes at blive brugt til sterilisering, vandrensning, luftrensning, medicinsk behandling, biokemisk industri, harpikshærdning og forarbejdning og udskrivning i fremtiden. Og maleri og andre felter.
Med udsigt til fremtiden sagde han:" I fremtiden planlægger vi at udvikle en dyb ultraviolet laserdiode (LD), der kan opnå større udgangseffekt. Hvis det kan opnås, bør det også kunne nedbryde lagermedier med stor kapacitet og skadelige stoffer, der overstiger Blu-ray-disks kapacitet."
Udviklingsrummet for dyb ultraviolet UVC LED er stadig meget stort.
