A sok éve nehezen megvalósítható kék LED (fénykibocsátó dióda) feltalálása energiatakarékos és hosszú élettartamú világítótesteket és kijelzőket hozott létre, amelyek nagyban megváltoztatták a világot. Az egyik legutóbbi határtani kutatás az, hogy rövidebb hullámhosszú UV LED -eket tud előállítani, mint a kék LED -ek.
Az ultraibolya sugarak közül a különösen rövid hullámhosszú mély ultraibolya sugarak nagy sterilizálási képességgel rendelkeznek, és várhatóan gyárakban és víztisztító üzemekben fogják használni őket (1. ábra). A jelenleg használt baktériumölő lámpák többsége higanyt használ, de a higanyról szóló Minamata -szerződés 2017 -es hatálybalépésével a nemzetközi közösség elkezdett dolgozni a higany felhasználásának csökkentésén. Ebben az összefüggésben mély ultraibolya UVC LED -ek várhatók. A mély ultraibolya LED-eket használó termékek elkezdtek forgalomba kerülni, de a jelenlegi fényhatékonyság és kimeneti teljesítmény nem elegendő.
Hirayama, aki 1996 -ban kezdte meg az UV LED -ek kutatását, magabiztosan mondta: „Bár a fejlesztési verseny éles, az általunk kifejlesztett mély UV UVC LED elérte a világ legmagasabb, 20,3%-os fényhatását. Ha azonban széles körű használatot akarunk elérni, akkor a fényhatékonyság tovább javul, hogy meghaladja a csíraölő lámpának használt kisnyomású higanylámpát, és a jelenlegi cél a 30%-ot meghaladja."
A LED alapszerkezete egy pn csomópont, amely egy n típusú félvezető több elektronnal és egy p típusú félvezető összekapcsolásával jön létre, ahol nincs elegendő elektron (lyukakkal). Feszültség alkalmazása után az elektronok és a lyukak együttesen bocsátanak ki fényt, de a fény színe (hullámhossza) és a fénykibocsátáshoz szükséges feszültség a félvezető típusától függően eltérő. Annak érdekében, hogy olyan félvezetőket fejlesszenek ki, amelyek képesek a kívánt hullámhosszú fényt előállítani, számos kutató különféle anyagokat fedezett fel. Hirayama azt mondta:&"; Ha csak az ultraibolya régióban tud fényt kibocsátani, nem praktikus. Ugyanis a korábbi fényforrásoknál is hatékonyabban kell fényt bocsátani, és alacsonyabb áron is sorozatban állítható elő." Az alumínium -gallium -nitrid (AlGaN) viszonylag ígéretes anyagként várható, de sok probléma van.
Egy új technológia, amely tiszta kristályokat képes előállítani, a LED -ek pn csomópontokat képeznek azáltal, hogy alapanyagon (szubsztrátumon) rendezett atomokkal kristályokat növesztenek. A félvezető szubsztrát olcsó zafírt (Al2O3) használ, de a kristályt alkotó atomok közötti távolság (rácsállandó) különbsége miatt az AlGaN kristály növekedése során deformálódik, és rácshibáknak nevezett hibákat okoz. A törésvonal mentén táguló repedéseket kristályhibáknak nevezzük. Ha a hibasűrűség (menetes diszlokáció sűrűsége) nő, a fényhatás csökken.
A kék LED -eknek gallium -nitrid (GaN) kristályfóliát kell alkotniuk, kevesebb hibával az aljzaton. A film megvalósításának technológiáját a Meijo Egyetem Nobel-díjas professzora, Isamu Akasaki fejlesztette ki. A mély ultraibolya LED -ekhez alumínium -nitrid (AlN) kristályréteg képződik az aljzaton, és AlGaN kristályt termesztenek rajta. Kiváló minőségű AlN fóliát hozott létre az aljzaton a hibák csökkentése érdekében. Emlékeztetett:&"; Ez a módszer áttörést hozott a fényhatékonyság javításában, felülmúlva a versenytárs&amerikai kutatócsoportját."
Az AlN kristályokat fém szerves kémiai gőzlerakással (MOCVD) állítják elő. A gáz halmazállapotú anyagot körülbelül 1400 fokos hőmérsékleten szállítják a zafír hordozóhoz, hogy kristályként növekedjen. A Hirayama által kifejlesztett módszer először AlN -nitridet növeszt magként az aljzaton, majd ammóniagázt fúj le, hogy oldalirányban növekedjen, hogy kitöltse a mag közötti rést. Ezután a gázt folyamatosan szállítjuk, hogy függőlegesen egymásra helyezzük őket. E kristálynövekedési folyamat megismétlésével kiváló minőségű, repedések nélküli AlN réteg képződhet (2. ábra). Azt mondta:&"; Ahhoz, hogy kristályokat készítsen, finoman szabályoznia kell a gázkoncentrációt, az áramlási sebességet és a reakcióhőmérsékletet, stb. A gázáramlás könnyen turbulens magas hőmérsékleten, és rengeteg tapasztalatot igényel. Ezért a berendezés félig saját készítésű és szükség szerint módosított." .
Növelje a fényhatást a szerkezeten végzett munkával
A fényhatás 3 tényezőhöz kapcsolódik. Az első&"; belső kvantumhatékonyság &", a második&"; elektronbefecskendezési hatékonyság [GG" "), a harmadik pedig &"; könnyű extrakciós hatékonyság&" ;. Hirayama keményen dolgozik ezen a három hatékonyságon.
A belső kvantumhatékonyság olyan érték, amely az áram által generált elektron- és lyukpárok fénykibocsátási arányát jelzi, és azt jelzi, hogy a fénykibocsátó réteg mennyire egyenletesen bocsát ki fényt. Azáltal, hogy a kristály szépen növekszik és csökkenti a hibákat, a belső kvantumhatékonyság sikeresen javult.
Az elektronbefecskendezés hatékonysága a fénykibocsátó rétegbe belépő elektronok arányát jelenti az injektált áramban. A hagyományos mély ultraibolya UV LED-nek az a problémája, hogy a befecskendezett elektronok nem a fénykibocsátó rétegbe kerülnek, hanem a p-réteg oldaláról szivárognak.
A bevezetőben ez állt:&"; Ennek az az oka, hogy a p-típusú félvezető lyukainak száma nincs kiegyensúlyozva az n-típusú félvezető elektronjainak számával. Mivel nehéz növelni a lyukak számát, elektronblokkoló réteg (multikvantum gát) jön létre, amely tükrözi a közvetlenül át nem kötött elektronokat. , Hatékonyan kombinált&"; (3. ábra). Ennek eredményeként az elektronbefecskendezés hatékonysága jelentősen javul.
Az álmot lézerfényforrásra kell alkalmazni
Az AlGaN által kifejlesztett mély ultraibolya UV LED szintén előnyökkel jár az alkalmazási tartományban. Várakozással fejezte ki:&"A kristály összetételének megváltoztatásával a mély ultraibolya hullámhossza beállítható. Ez is jellemző. Jelenleg a mély ultraibolya UVC LED-eket valósították meg a 222-351 nm-es sávban. Az alkalmazásnak megfelelően szabadon létrehozhatja a kívánt hullámhosszot. Mély ultraibolya fény, például 310 nanométeres fény, amelyet atópiás dermatitisz és pikkelysömör kezelésére használnak.&";
Ez egy fejlesztés alatt álló technológia. A kimenő teljesítményt a jelenlegi tíz milliwattról néhány wattra kell növelni. A jövőben várhatóan sterilizálásban, víztisztításban, levegőtisztításban, orvosi kezelésben, biokémiai iparban, gyanta keményítésében és feldolgozásában, valamint nyomtatásban fogják használni. És a festészet és más területek.
A jövőre tekintve azt mondta:&"; A jövőben tervezünk egy mély ultraibolya lézerdióda (LD) kifejlesztését, amely nagyobb kimeneti teljesítményt érhet el. Ha ez megvalósítható, képesnek kell lennie a nagy kapacitású tárolóeszközök és a Blu-ray lemezek kapacitását meghaladó káros anyagok lebontására is."
A mély ultraibolya UVC LED fejlesztési tere még mindig nagyon nagy.
