Invenția LED-ului albastru (diodă emițătoare de lumină), care a fost considerată dificil de realizat de mulți ani, a dat naștere la corpuri și afișaje de iluminat cu economie de energie și de lungă durată, care au schimbat foarte mult lumea. Una dintre cele mai recente cercetări de frontieră este că poate produce LED-uri UV cu lungimi de undă mai mici decât LED-urile albastre.
Dintre razele ultraviolete, razele ultraviolete profunde cu o lungime de undă deosebit de scurtă au capacități mari de sterilizare și se așteaptă să fie utilizate în fabrici și instalații de purificare a apei (Figura 1). Majoritatea lămpilor germicide utilizate în prezent utilizează mercur, dar odată cu intrarea în vigoare a Tratatului Minamata asupra mercurului în 2017, comunitatea internațională a început să lucreze pentru a reduce utilizarea mercurului. În acest context, sunt așteptate LED-uri UVC ultraviolete profunde. Produsele care utilizează LED-uri ultraviolete profunde au început să fie introduse pe piață, dar eficiența luminoasă actuală și puterea de ieșire sunt insuficiente.
Hirayama, care a început cercetarea LED-urilor UV în 1996, a spus cu încredere: „Deși competiția de dezvoltare este acerbă, LED-ul UVC profund pe care l-am dezvoltat a atins cea mai mare eficiență luminoasă din lume de 20,3%. Cu toate acestea, dacă dorim să obținem o utilizare pe scară largă, eficiența luminoasă va fi. Trebuie îmbunătățit în continuare pentru a depăși lampa cu mercur de joasă presiune utilizată ca lampă germicidă, iar obiectivul actual este de a depăși 30%."
Structura de bază a unui LED este o joncțiune pn formată prin îmbinarea unui semiconductor de tip n cu mai mulți electroni și a unui semiconductor de tip p cu electroni insuficienți (cu găuri). După aplicarea unei tensiuni, electronii și găurile se combină pentru a emite lumină, dar culoarea (lungimea de undă) a luminii și tensiunea necesară pentru a emite lumină sunt diferite în funcție de tipul semiconductorului. Pentru a dezvolta semiconductori care pot genera lumină cu lungimea de undă dorită, un număr mare de cercetători au explorat diverse materiale. Hirayama a spus:" Dacă poate emite lumină doar în regiunea ultravioletă, nu este practic. Deoarece, de asemenea, trebuie să emită lumină mai eficient decât sursele de lumină anterioare și poate fi produs în serie la un cost mai mic." Nitrura de galiu de aluminiu (AlGaN) este de așteptat ca un material relativ promițător, dar există multe probleme.
O nouă tehnologie care poate genera cristale îngrijite, LED-urile formează joncțiuni pn prin creșterea cristalelor cu atomi ordonați pe o substanță de bază (substrat). Substratul semiconductor folosește safir ieftin (Al2O3), dar datorită diferenței de distanță (constantă de rețea) între atomii care alcătuiesc cristalul, cristalul AlGaN se deformează atunci când crește, provocând defecte numite defecte de rețea. Fisurile care se extind de-a lungul liniei defectului se numesc defecte de cristal. Dacă densitatea defectului (densitatea dislocării filetării) crește, eficiența luminoasă scade.
LED-urile albastre trebuie să formeze un film de cristal de nitrură de galiu (GaN) cu mai puține defecte pe substrat. Tehnologia pentru realizarea acestui film a fost dezvoltată de profesorul câștigător al Premiului Nobel la Universitatea Meijo, Isamu Akasaki. Pentru LED-urile ultraviolete profunde, pe substrat se formează o peliculă de cristal de nitrură de aluminiu (AlN) și pe aceasta se dezvoltă cristal AlGaN. S-a stabilit un film AlN de înaltă calitate pe suport pentru a reduce defectele. El a reamintit:" Această metodă a făcut un progres în îmbunătățirea eficienței luminoase, depășind echipa americană de cercetare a concurentului'"
Cristalele de AlN sunt produse prin depunerea metalică a vaporilor chimici organici (MOCVD). Materialul gazos este furnizat substratului de safir la o temperatură ridicată de aproximativ 1400 de grade pentru a-l face să crească ca un cristal. Metoda dezvoltată de Hirayama crește mai întâi nitrură de AlN ca nucleu pe substrat și suflă gazul de amoniac într-un impuls pentru a-l face să crească lateral pentru a umple golul dintre miez. Apoi, gazul este alimentat continuu pentru a le stiva vertical. Prin repetarea acestui proces de creștere a cristalelor, se poate forma un strat de AlN de înaltă calitate, fără fisuri (Figura 2). A spus:" Pentru a face cristale îngrijite, trebuie să controlați cu atenție concentrația gazului, debitul și temperatura de reacție etc. Debitul de gaz este ușor să fie turbulent la temperaturi ridicate și necesită o experiență bogată. Prin urmare, echipamentul este semi-fabricat și modificat după cum este necesar." .
Îmbunătățiți eficiența luminoasă lucrând la structură
Eficiența luminoasă este legată de 3 factori. Primul este" eficiența cuantică internă" ;, al doilea este" eficiența injecției electronice" și al treilea este" eficiența extracției luminii" ;. Hirayama lucrează din greu pentru a îmbunătăți aceste trei eficiențe.
Eficiența cuantică internă este o valoare care indică raportul dintre perechile de electroni și găuri generate de curent pentru a emite lumină și indică gradul în care stratul emitent de lumină emite lumină ușor. Prin creșterea cristalului îngrijit și reducerea defectelor, eficiența cuantică internă a fost îmbunătățită cu succes.
Eficiența injecției de electroni se referă la proporția de electroni care intră în stratul emitent de lumină în curentul injectat. LED-ul UV ultraviolet profund convențional are o problemă că electronii injectați nu intră în stratul emitent de lumină, ci se scurg din partea stratului p.
Introducerea spunea:" Motivul este că numărul de găuri din semiconductorul de tip p nu este echilibrat cu numărul de electroni din semiconductorul de tip n. Deoarece este dificil să crești numărul de găuri, se formează un strat de blocare a electronilor (barieră cuantică multiplă) pentru a reflecta electronii nelegați care trec direct. , Combinat eficient" (Figura 3). Ca urmare, eficiența injecției de electroni este mult îmbunătățită.
Visul trebuie aplicat sursei de lumină laser
LED-ul ultraviolet profund dezvoltat de AlGaN are și avantaje în gama de aplicații. El a exprimat cu nerăbdare:" Prin schimbarea compoziției cristalului, lungimea de undă a ultravioletului profund poate fi ajustată. Aceasta este, de asemenea, o caracteristică. În prezent, LED-urile ultraviolete ultraviolete profunde au fost implementate în banda 222-351 nm. Puteți genera în mod liber lungimea de undă dorită în funcție de aplicație. Lumină ultravioletă profundă, cum ar fi lumina de aproximativ 310 nanometri utilizată pentru tratarea dermatitei atopice și a psoriazisului etc."
Aceasta este o tehnologie în curs de dezvoltare. Puterea de ieșire trebuie să fie mărită de la actualele zeci de miliți la câțiva wați. Se așteaptă să fie utilizat în sterilizare, purificarea apei, purificarea aerului, tratament medical, industria biochimică, întărirea și prelucrarea rășinilor și imprimarea în viitor. Și pictura și alte domenii.
Privind spre viitor, el a spus:" În viitor, intenționăm să dezvoltăm o diodă laser cu ultraviolete profunde (LD) care poate atinge o putere de ieșire mai mare. Dacă se poate realiza, ar trebui, de asemenea, să poată descompune medii de stocare de mare capacitate și substanțe nocive care depășesc capacitatea discurilor Blu-ray."
Spațiul de dezvoltare a LED-urilor ultraviolete profunde UVC este încă foarte mare.
