De uitvinding van blauwe LED (light emitting diode), die jarenlang als moeilijk haalbaar werd beschouwd, heeft geleid tot energiebesparende en duurzame verlichtingsarmaturen en displays, die de wereld enorm hebben veranderd. Een van de meest recente grensverleggende onderzoeken is dat het UV-LED's kan produceren met kortere golflengten dan blauwe LED's.
Onder ultraviolette stralen hebben diepe ultraviolette stralen met een bijzonder korte golflengte een hoog sterilisatievermogen en zullen naar verwachting worden gebruikt in fabrieken en waterzuiveringsinstallaties (Figuur 1). De meeste kiemdodende lampen die momenteel in gebruik zijn, gebruiken kwik, maar met de inwerkingtreding van het Minamata-verdrag inzake kwik in 2017 is de internationale gemeenschap begonnen met het verminderen van het gebruik van kwik. In deze context worden diep-ultraviolette UVC-leds verwacht. Producten met diep-ultraviolette LED's komen op de markt, maar de huidige lichtopbrengst en het uitgangsvermogen zijn onvoldoende.
Hirayama, die in 1996 begon met het onderzoeken van UV-LED's, zei vol vertrouwen: "Hoewel de ontwikkelingsconcurrentie hevig is, heeft de diepe UV UVC-LED die we hebben ontwikkeld 's werelds hoogste lichtrendement van 20,3% bereikt. Als we echter een wijdverbreid gebruik willen bereiken, zal het lichtrendement zijn. Het moet verder worden verbeterd om de lagedrukkwiklamp die als kiemdodende lamp wordt gebruikt, te overschrijden, en het huidige doel is om 30% te overschrijden."
De basisstructuur van een LED is een pn-overgang gevormd door een n-type halfgeleider met meer elektronen en een p-type halfgeleider met onvoldoende elektronen (met gaten) samen te voegen. Nadat een spanning is aangelegd, worden elektronen en gaten gecombineerd om licht uit te zenden, maar de kleur (golflengte) van het licht en de spanning die nodig is om licht uit te zenden, verschillen afhankelijk van het type halfgeleider. Om halfgeleiders te ontwikkelen die licht van de gewenste golflengte kunnen genereren, heeft een groot aantal onderzoekers verschillende materialen onderzocht. Hirayama zei:"Als het alleen licht kan uitstralen in het ultraviolette gebied, is het niet praktisch. Omdat het ook efficiënter licht moet uitstralen dan eerdere lichtbronnen en tegen lagere kosten in massa kan worden geproduceerd." Aluminiumgalliumnitride (AlGaN) wordt verwacht als een relatief veelbelovend materiaal, maar er zijn veel problemen.
Een nieuwe technologie die nette kristallen kan genereren, LED's vormen pn-juncties door kristallen met geordende atomen op een basissubstraat (substraat) te laten groeien. Het halfgeleidersubstraat maakt gebruik van goedkope saffier (Al2O3), maar door het verschil in de afstand (roosterconstante) tussen de atomen waaruit het kristal bestaat, wordt het AlGaN-kristal vervormd wanneer het groeit, waardoor defecten ontstaan die roosterdefecten worden genoemd. Scheuren die uitzetten langs de defectlijn worden kristaldefecten genoemd. Als de defectdichtheid (threading dislocatiedichtheid) toeneemt, neemt het lichtrendement af.
Blauwe LED's moeten een galliumnitride (GaN) kristalfilm vormen met minder defecten op het substraat. De technologie om deze film te realiseren is ontwikkeld door de Nobelprijswinnende professor aan de Meijo University, Isamu Akasaki. Voor diep-ultraviolette LED's wordt een aluminiumnitride (AlN) kristalfilm gevormd op het substraat en daarop AlGaN-kristal gegroeid. Een hoogwaardige AlN-film op het substraat tot stand gebracht om defecten te verminderen. Hij herinnerde zich:"Deze methode heeft een doorbraak bereikt in het verbeteren van de lichtopbrengst, en overtreft het Amerikaanse onderzoeksteam van de concurrent'."
AlN-kristallen worden geproduceerd door metaal-organische chemische dampafzetting (MOCVD). Het gasvormige materiaal wordt bij een hoge temperatuur van ongeveer 1400 graden aan het saffiersubstraat toegevoerd om het als een kristal te laten groeien. De door Hirayama ontwikkelde methode laat eerst AlN-nitride als de kern op het substraat groeien en blaast ammoniakgas in een puls om het lateraal te laten groeien om de opening tussen de kern te vullen. Vervolgens wordt het gas continu toegevoerd om ze verticaal te stapelen. Door dit kristalgroeiproces te herhalen, kan een hoogwaardige AlN-laag zonder scheuren worden gevormd (Figuur 2). Hij zei:"Om nette kristallen te maken, moet je de gasconcentratie, stroomsnelheid en reactietemperatuur, enz. nauwkeurig regelen. De gasstroom is gemakkelijk turbulent te zijn bij hoge temperaturen en vereist een schat aan ervaring. Daarom is de apparatuur semi-zelfgemaakt en indien nodig aangepast." .
Verbeter de lichtopbrengst door aan de structuur te werken
Het lichtrendement is gerelateerd aan 3 factoren. De eerste is"interne kwantumefficiëntie", de tweede is"elektroneninjectie-efficiëntie", en de derde is"lichtextractie-efficiëntie" ;. Hirayama werkt er hard aan om deze drie efficiënties te verbeteren.
De interne kwantumefficiëntie is een waarde die de verhouding aangeeft van elektronen- en gatenparen die door stroom worden gegenereerd om licht uit te stralen, en geeft de mate aan waarin de lichtemitterende laag gelijkmatig licht uitzendt. Door het kristal netjes te laten groeien en defecten te verminderen, is de interne kwantumefficiëntie met succes verbeterd.
De efficiëntie van de elektroneninjectie verwijst naar het aandeel elektronen dat de lichtemitterende laag in de geïnjecteerde stroom binnenkomt. De conventionele diep-ultraviolette UV-LED heeft het probleem dat de geïnjecteerde elektronen niet in de lichtemitterende laag komen, maar lekken vanaf de p-laagzijde.
De inleiding zei:"De reden is dat het aantal gaten in de p-type halfgeleider niet in evenwicht is met het aantal elektronen in de n-type halfgeleider. Omdat het moeilijk is om het aantal gaten te vergroten, wordt een elektronenblokkerende laag (multi-quantumbarrière) gevormd om de ongebonden elektronen die direct passeren te reflecteren. , Effectief gecombineerd" (Figuur 3). Als resultaat wordt de efficiëntie van de elektroneninjectie sterk verbeterd.
Droom moet worden toegepast op laserlichtbron
De door AlGaN ontwikkelde diep-ultraviolette UV-LED heeft ook voordelen in het toepassingsgebied. Hij sprak verwachtingsvol:"Door de samenstelling van het kristal te veranderen, kan de golflengte van diep ultraviolet worden aangepast. Dit is ook een functie. Momenteel zijn diep-ultraviolette UVC-LED's geïmplementeerd in de 222-351 nm-band. Afhankelijk van de toepassing kunt u vrij de gewenste golflengte genereren. Diep ultraviolet licht, zoals licht van ongeveer 310 nanometer dat wordt gebruikt voor de behandeling van atopische dermatitis en psoriasis, enz."
Dit is een technologie in ontwikkeling. Het uitgangsvermogen moet worden verhoogd van de huidige tientallen milliwatts naar enkele watts. Verwacht wordt dat het in de toekomst zal worden gebruikt in sterilisatie, waterzuivering, luchtzuivering, medische behandeling, biochemische industrie, harsverharding en -verwerking en afdrukken. En schilderen en andere velden.
Kijkend naar de toekomst, zei hij:"In de toekomst zijn we van plan een diepe ultraviolette laserdiode (LD) te ontwikkelen die een groter uitgangsvermogen kan bereiken. Als dit kan worden bereikt, moet het ook in staat zijn om opslagmedia met grote capaciteit en schadelijke stoffen die de capaciteit van Blu-ray Discs overschrijden, te ontbinden."
De ontwikkelingsruimte van diep ultraviolet UVC LED is nog steeds erg groot.
