Sinise LED-i (valgusdiood) leiutamine, mida on juba aastaid peetud raskeks saavutada, tõi kaasa energiasäästlikud ja pikaealised valgustusseadmed ja ekraanid, mis muutsid oluliselt maailma. Üks viimaseid piirialaseid uuringuid on see, et see võib toota UV -valgusdioode, mille lainepikkus on lühem kui sinistel.
Ultraviolettkiirte hulgas on eriti lühikese lainepikkusega sügavad ultraviolettkiired suure steriliseerimisvõimega ning neid kasutatakse eeldatavasti tehastes ja veepuhastusjaamades (joonis 1). Enamik praegu kasutatavatest bakteritsiidsetest lampidest kasutab elavhõbedat, kuid Minamata elavhõbedalepingu jõustumisel 2017. aastal on rahvusvaheline üldsus asunud tegelema elavhõbeda kasutamise vähendamisega. Selles kontekstis on oodata sügavaid ultraviolettkiirgusega UVC LED -e. Tooted, mis kasutavad ultraviolettkiirgusega LED-e, on hakanud turule tulema, kuid praegune valgustugevus ja väljundvõimsus on ebapiisavad.
Hirayama, kes alustas UV -valgusdioodide uurimist 1996. aastal, ütles enesekindlalt: „Kuigi arenduskonkurents on karm, on meie välja töötatud sügav UV -UVC -LED saavutanud maailma kõrgeima valgustõhususe - 20,3%. Kui aga tahame laialdast kasutust saavutada, on valgusefektiivsus seda veelgi. Tuleb veelgi täiustada, et see ületaks madalrõhu elavhõbedalampi, mida kasutatakse bakteritsiidse lambina, ja praegune eesmärk on ületada 30%."
LED-i põhistruktuur on pn-ristmik, mis moodustub n-tüüpi pooljuhi ühendamisel rohkemate elektronidega ja p-tüüpi pooljuht, mille elektronid on ebapiisavad (aukudega). Pärast pinge rakendamist ühendavad elektronid ja augud valgust, kuid valguse värv (lainepikkus) ja valguse eraldamiseks vajalik pinge on olenevalt pooljuhi tüübist erinevad. Soovitud lainepikkusega valgust tekitavate pooljuhtide väljatöötamiseks on suur hulk teadlasi uurinud erinevaid materjale. Hirayama ütles:&"; Kui see suudab valgust kiirgata ainult ultraviolettpiirkonnas, pole see otstarbekas. Kuna see peab ka valgust kiirgama tõhusamalt kui varasemad valgusallikad ja seda saab toota massiliselt madalama hinnaga." Alumiiniumgalliumnitriidi (AlGaN) oodatakse suhteliselt paljutõotava materjalina, kuid probleeme on palju.
Uus tehnoloogia, mis võib tekitada puhtaid kristalle, moodustavad LED -id pn -ristmikud, kasvatades põhiainele (substraadile) järjestatud aatomitega kristalle. Pooljuhtide substraat kasutab odavat safiiri (Al2O3), kuid kristalli moodustavate aatomite vahekauguse (võrekonstant) erinevuse tõttu deformeerub AlGaN kristall kasvades, põhjustades defekte, mida nimetatakse võrevigadeks. Pragusid, mis laienevad mööda defekti joont, nimetatakse kristallidefektideks. Kui defekti tihedus (keerme nihestuse tihedus) suureneb, väheneb valgustugevus.
Sinised LED -id peavad moodustama galliumnitriidi (GaN) kristallkile, millel on substraadil vähem defekte. Selle filmi teostamise tehnoloogia töötas välja Nobeli preemia võitnud Meijo ülikooli professor Isamu Akasaki. Sügavate ultraviolett -valgusdioodide jaoks moodustatakse substraadile alumiiniumnitriidi (AlN) kristallkile ja sellel kasvatatakse AlGaN kristalli. Paigaldas aluspinnale kvaliteetse AlN-kile, et vähendada defekte. Ta meenutas:&"; See meetod on teinud läbimurde valgustõhususe parandamisel, ületades konkurendi&Ameerika uurimisrühma."
AlN kristalle toodetakse metalli orgaanilise keemilise auruga sadestamise (MOCVD) abil. Gaasiline materjal tarnitakse safiir substraadile kõrgel temperatuuril umbes 1400 kraadi, et see kasvaks kristallina. Hirayama välja töötatud meetod kasvatab kõigepealt AlN -nitriidi aluspinna südamikuna ja puhub ammoniaagi gaasi impulsiga, et see kasvaks külgsuunas, et täita südamiku vahe. Seejärel tarnitakse gaasi pidevalt nende vertikaalseks virnastamiseks. Seda kristallide kasvuprotsessi korrates saab moodustada kvaliteetse pragudeta AlN-kihi (joonis 2). Ütles:&"; Puhaste kristallide valmistamiseks peate täpselt reguleerima gaasi kontsentratsiooni, voolukiirust ja reaktsioonitemperatuuri jne. Gaasivool on kõrgel temperatuuril kergesti turbulentne ja nõuab rikkalikku kogemust. Seetõttu on seadmed poolvalmis ja vajadusel muudetud." .
Parandage konstruktsiooni kallal töötades valgustõhusust
Valguse efektiivsus on seotud kolme teguriga. Esimene on&"; sisemine kvantitõhusus &", teine on&"; elektroni sissepritse efektiivsus [GG" ") ja kolmas on &"; kerge ekstraheerimise efektiivsus&" ;. Hirayama teeb kõvasti tööd nende kolme tõhususe parandamiseks.
Sisemine kvantitõhusus on väärtus, mis näitab voolu tekitatud elektronide ja aukude paaride ja valguse kiirguse suhet ning näitab valgust kiirgava kihi sujuva valguse kiirguse määra. Pannes kristalli korralikult kasvama ja vähendades defekte, on sisemist kvantitõhusust edukalt parandatud.
Elektronide sissepritse efektiivsus viitab elektronide osakaalule, mis sisenevad valgust kiirgavasse kihti süstitud voolus. Tavalisel sügaval ultraviolett-UV-LED-il on probleem, et süstitud elektronid ei sisene valgust kiirgavasse kihti, vaid lekivad p-kihi poolelt.
Sissejuhatuses öeldi:&"Põhjus on selles, et p-tüüpi pooljuhi aukude arv ei ole tasakaalus n-tüüpi pooljuhi elektronide arvuga. Kuna aukude arvu on raske suurendada, moodustub elektronide blokeeriv kiht (multikvantbarjäär), mis peegeldab otseselt läbimata seondunud elektrone. , Tõhusalt kombineeritud&"; (Joonis 3). Selle tulemusel paraneb oluliselt elektronide sissepritse efektiivsus.
Dream tuleb rakendada laservalgusallikale
AlGaNi poolt välja töötatud sügav ultraviolettkiirgusega UV -LED -il on ka kasutusalade eeliseid. Ta väljendas ootuspäraselt:&"; Kristalli koostise muutmisega saab reguleerida sügava ultraviolettkiirguse lainepikkust. See on ka eripära. Praegu on 222-351 nm ribas rakendatud sügavad ultraviolettkiirgusega UVC LED-id. Soovitud lainepikkuse saate vastavalt rakendusele vabalt genereerida. Sügav ultraviolettkiirgus, näiteks umbes 310 nanomeetri valgus, mida kasutatakse atoopilise dermatiidi ja psoriaasi raviks.&";
See on arendamisel olev tehnoloogia. Väljundvõimsust tuleb suurendada praegustelt kümnetelt millivattidelt mõne vattini. Tulevikus kasutatakse seda eeldatavasti steriliseerimisel, vee puhastamisel, õhu puhastamisel, meditsiinilisel töötlemisel, biokeemiatööstuses, vaigu karastamisel ja töötlemisel ning trükkimisel. Ja maalimine ja muud alad.
Tulevikku vaadates ütles ta:&"; Tulevikus plaanime välja töötada sügava ultraviolettkiirgusega laserdioodi (LD), mis võimaldab saavutada suuremat väljundvõimsust. Kui seda on võimalik saavutada, peaks see suutma lagundada ka suure mahutavusega andmekandjaid ja kahjulikke aineid, mis ületavad Blu-ray-plaatide mahutavust."
Sügava ultraviolettkiirgusega UVC LED -i arendusruum on endiselt väga suur.
