Изобретение синего светодиода (светодиода), которого долгие годы считалось труднодостижимым, породило энергосберегающие и долгоживущие осветительные приборы и дисплеи, которые сильно изменили мир. Одним из последних исследований является то, что он может производить ультрафиолетовые светодиоды с более короткими длинами волн, чем синие светодиоды.
Среди ультрафиолетовых лучей глубокие ультрафиолетовые лучи с особенно короткой длиной волны обладают высокими возможностями стерилизации и, как ожидается, будут использоваться на фабриках и водоочистных установках (рисунок 1). Большинство бактерицидных ламп в настоящее время используют ртуть, но со вступлением в силу Минаматского договора по ртути в 2017 году международное сообщество начало работать над сокращением использования ртути. В этом контексте ожидаются глубокие ультрафиолетовые UVC светодиоды. Продукты с использованием глубокого ультрафиолета начали поступить на рынок, но текущая световая эффективность и выходная мощность недостаточны.
Хираяма, который начал исследовать УФ-светодиоды в 1996 году, с уверенностью сказал: «Хотя конкуренция за разработку жесткая, разработанный ими глубокий УФ-светодиод UVC достиг самой высокой в мире световой эффективности 20,3%. Однако, если мы хотим добиться широкого использования, световая эффективность будет еще больше улучшена, чтобы превысить ртутную лампу низкого давления, используемую в качестве бактерицидной лампы, и текущая цель - превысить 30%».
Основная структура светодиода представляет собой pn-переход, образованный соединением полупроводника n-типа с большим количеством электронов и полупроводника p-типа с недостаточным количеством электронов (с дырками). После подачи напряжения электроны и дырки объединяются, чтобы излучать свет, но цвет (длина волны) света и напряжение, необходимое для излучения света, различаются в зависимости от типа полупроводника. Для того, чтобы разработать полупроводники, которые могут генерировать свет нужной длины волны, большое количество исследователей исследовали различные материалы. Хираяма сказал: «Если он может излучать свет только в ультрафиолетовой области, это непрактично. Потому что он также должен излучать свет более эффективно, чем предыдущие источники света, и может быть массово произведен при меньших затратах». Нитрид алюминия галлия (AlGaN) ожидается как относительно перспективный материал, но есть много проблем.
Новая технология, которая может генерировать аккуратные кристаллы, светодиоды образуют pn-переходы, выращивая кристаллы с упорядоченными атомами на основном веществе (подложке). Полупроводниковая подложка использует дешевый сапфир (Al2O3), но из-за разницы в расстоянии (постоянная решетки) между атомами, составляющими кристалл, кристалл AlGaN деформируется при росте, вызывая дефекты, называемые дефектами решетки. Трещины, которые расширяются вдоль линии дефекта, называются дефектами кристаллов. Если плотность дефекта (плотность дислокации резьбы) увеличивается, световая эффективность уменьшается.
Синие светодиоды должны образовывать кристаллическую пленку нитрида галлия (GaN) с меньшим количеством дефектов на подложке. Технология для реализации этого фильма была разработана лауреатом Нобелевской премии профессором Университета Мэйдзё Исаму Акасаки. Для глубоких ультрафиолетовых светодиодов на подложке образуется кристаллическая пленка нитрида алюминия (AlN) и на ней выращивается кристалл AlGaN. Установлена высококачественная пленка AlN на подложке для уменьшения дефектов. Он напомнил: «Этот метод сделал прорыв в повышении светоотощности, превзойдя американскую исследовательскую группу конкурента».
Кристаллы AlN получают путем металлоорганического химического осаждения из паровой кислоты (MOCVD). Газообразный материал подается на сапфировую подложку при высокой температуре около 1400 градусов, чтобы он рос как кристалл. Метод, разработанный Хираямой, сначала выращивает нитрид AlN в качестве ядра на подложке и выдувает газообразный аммиак импульсом, чтобы заставить его расти сбоку, чтобы заполнить пробел между ядром. Затем газ непрерывно подается, чтобы уложить их вертикально. Повторяя этот процесс роста кристаллов, можно сформировать высококачественный слой AlN без трещин (рисунок 2). Сказал: «Чтобы сделать аккуратные кристаллы, нужно тонко контролировать концентрацию газа, скорость потока и температуру реакции и т. Д. Поток газа легко турбулентный при высоких температурах и требует богатого опыта. Поэтому оборудование полуавтономное и модифицируется по мере необходимости».
Повышение светоотработки за счет работы над конструкцией
Световая эффективность связана с 3 факторами. Первая — «внутренняя квантовая эффективность», вторая — «эффективность впрыска электронов», а третья — «эффективность извлечения света». Хираяма усердно работает над улучшением этих трех эффективности.
Внутренняя квантовая эффективность — это значение, указывающее на соотношение электронных и дырочных пар, генерируемых током, к излучаю свету, и указывает степень, в которой светоизлучающий слой излучает свет плавно. Заставляя кристалл расти аккуратно и уменьшая дефекты, внутренняя квантовая эффективность была успешно улучшена.
Эффективность впрыска электронов относится к доле электронов, которые входят в светоизлучающий слой в впрыскиваемом токе. Обычный глубокий ультрафиолетовый УФ-светодиод имеет проблему, что введенные электроны не попадают в светоизлучающий слой, а просачиваются со стороны p-слоя.
Во введении говорится: «Причина в том, что количество дырок в полупроводнике p-типа не уравновешивается количеством электронов в полупроводнике n-типа. Поскольку трудно увеличить количество дырок, образуется электронный блокирующий слой (мультиквантовый барьер), чтобы отразить несвязанные электроны, которые проходят напрямую. , Эффективно комбинируется» (рисунок 3). В результате эффективность впрыска электронов значительно улучшается.
Мечта должна быть применена к лазерному источнику света
Глубокий ультрафиолетовый УФ-светодиод, разработанный AlGaN, также имеет преимущества в диапазоне применения. Он выразил выжидительное: «Изменяя состав кристалла, можно регулировать длину волны глубокого ультрафиолета. Это тоже особенность. В настоящее время глубокие ультрафиолетовые светодиоды UVC реализованы в диапазоне 222-351 нм. Вы можете свободно генерировать желаемую длину волны в соответствии с приложением. Глубокий ультрафиолетовый свет, такой как свет около 310 нанометров, используемый для лечения атопического дерматита и псориаза и т. Д.
Это технология, на которую мы сейчас и только развяем. Выходная мощность должна быть увеличена с нынешних десятков милливатт до нескольких ватт. Ожидается, что в будущем он будет использоваться в стерилизации, очистке воды, очистке воздуха, медицинской обработке, биохимической промышленности, закалке и обработке смол, а также печати. И живопись, и другие сферы.
Заглядывая в будущее, он сказал: «В будущем мы планируем разработать глубокий ультрафиолетовый лазерный диод (LD), который может достичь большей выходной мощности. Если это может быть достигнуто, он также должен быть в состоянии разлагать носители большой емкости и вредные вещества, которые превышают емкость дисков Blu-ray».
Пространство разработки глубокого ультрафиолетового UVC LED по-прежнему очень велико.
