اختراع LED آبی (دیود ساطع کننده نور) ، که سالهاست دستیابی به آن دشوار تلقی می شود ، باعث ایجاد روشنایی و نمایشگرهای کم مصرف و با عمر طولانی شد که جهان را بسیار تغییر داد. یکی از جدیدترین تحقیقات مرزی این است که می تواند LED های UV با طول موج کوتاهتر از LED های آبی تولید کند.
در بین اشعه ماوراء بنفش ، اشعه ماوراء بنفش عمیق با طول موج بسیار کوتاه دارای قابلیت عقیم سازی بالایی است و انتظار می رود در کارخانه ها و کارخانه های تصفیه آب مورد استفاده قرار گیرد (شکل 1). اکثر لامپهای میکروب کشی که در حال حاضر استفاده می کنند از جیوه استفاده می کنند ، اما با اجرایی شدن معاهده میناماتا در مورد جیوه در سال 2017 ، جامعه بین المللی کار خود را برای کاهش استفاده از جیوه آغاز کرده است. در این زمینه ، LED های UVC ماوراء بنفش عمیق انتظار می رود. محصولاتی که از LED های ماوراء بنفش عمیق استفاده می کنند به بازار عرضه شده اند ، اما بازده درخشان و قدرت خروجی فعلی کافی نیست.
هیرایاما ، که در سال 1996 تحقیق در مورد LED های UV را آغاز کرد ، با اطمینان گفت: "اگرچه رقابت توسعه شدید است ، اما UV UVC UV عمیق ما به بالاترین بازده نورانی جهان 20.3 achieved دست یافته است. با این حال ، اگر بخواهیم به کاربرد گسترده ای دست یابیم ، بازده درخشانی خواهد بود. باید بیشتر از لامپ جیوه ای فشار کم که به عنوان لامپ میکروب کش استفاده می شود ، افزایش یابد و هدف فعلی فراتر از 30 درصد است."؛
ساختار اساسی یک LED یک اتصال pn است که با اتصال یک نیمه هادی نوع n با الکترونهای بیشتر و یک نیمه هادی نوع p با الکترونهای ناکافی (با سوراخ) تشکیل شده است. پس از اعمال ولتاژ ، الکترون ها و حفره ها برای انتشار نور با هم ترکیب می شوند ، اما رنگ (طول موج) نور و ولتاژ مورد نیاز برای تابش نور بسته به نوع نیمه هادی متفاوت است. به منظور توسعه نیمه هادی هایی که می توانند نور طول موج مورد نظر را تولید کنند ، تعداد زیادی از محققان مواد مختلف را کاوش کرده اند. هیرایاما گفت:"؛ اگر فقط بتواند در منطقه ماوراء بنفش نور منتشر کند ، عملی نیست. زیرا همچنین باید نور را به طور مlyثرتری نسبت به منابع نوری قبلی ساطع کند و می تواند با هزینه کمتری به تولید انبوه برسد."؛ آلومینیوم نیترید گالیم (AlGaN) به عنوان یک ماده نسبتا امیدوار کننده انتظار می رود ، اما مسائل زیادی وجود دارد.
فناوری جدیدی که می تواند کریستال های شفاف تولید کند ، LED ها با رشد کریستال ها با اتم های مرتب بر روی یک ماده اساسی (بستر) اتصالات pn را ایجاد می کنند. بستر نیمه هادی از یاقوت کبود ارزان (Al2O3) استفاده می کند ، اما به دلیل تفاوت در فاصله (ثابت شبکه) بین اتم های تشکیل دهنده کریستال ، کریستال AlGaN هنگام رشد تغییر شکل می یابد و باعث ایجاد نقایصی به نام نقص شبکه می شود. ترک هایی که در امتداد خط نقص گسترش می یابند ، عیوب کریستالی نامیده می شوند. اگر چگالی نقص (چگالی دررفتگی نخ) افزایش یابد ، بازده نورانی کاهش می یابد.
LED های آبی نیاز به تشکیل یک فیلم کریستالی گالیم نیترید (GaN) با عیوب کمتری در بستر دارند. فناوری تحقق این فیلم توسط پروفسور برنده جایزه نوبل در دانشگاه Meijo ، Isamu Akasaki توسعه یافته است. برای LED های ماوراء بنفش عمیق ، یک فیلم کریستالی نیترید آلومینیوم (AlN) روی بستر تشکیل شده و کریستال AlGaN روی آن رشد می کند. برای کاهش عیوب ، یک فیلم AlN با کیفیت بالا بر روی بستر ایجاد کرد. وی یادآور شد:"؛ این روش پیشرفتی در بهبود کارایی نورانی داشته است و از تیم تحقیقاتی آمریکایی رقیب شماره 39 GG پیشی گرفته است."؛
بلورهای AlN با رسوب بخار شیمیایی آلی فلزی (MOCVD) تولید می شوند. مواد گازی در دمای بالای 1400 درجه به بستر یاقوت کبود عرضه می شود تا به صورت کریستال رشد کند. روشی که توسط هیرایاما توسعه داده شد ابتدا نیترید AlN را به عنوان هسته روی بستر پرورش می دهد و گاز آمونیاک را در یک نبض می دمد تا باعث رشد جانبی آن شود تا شکاف بین هسته را پر کند. سپس گاز به طور مداوم برای انباشته شدن آنها به صورت عمودی تامین می شود. با تکرار این فرایند رشد کریستال ، می توان یک لایه AlN با کیفیت بالا بدون ترک ایجاد کرد (شکل 2). گفت:"؛ برای ساخت کریستال های مرتب ، شما باید غلظت گاز ، سرعت جریان و دمای واکنش و غیره را به خوبی کنترل کنید. جریان گاز به راحتی در دماهای بالا آشفته است و نیاز به تجربه زیادی دارد. بنابراین ، تجهیزات نیمه خود ساخته شده و در صورت نیاز اصلاح می شوند."؛ به
با کار بر روی سازه ، کارایی نور را افزایش دهید
بازده نوری به 3 عامل مربوط می شود. اولی"؛ بازده کوانتومی داخلی"؛ دومی"؛ بازده تزریق الکترون"؛ و سوم"؛ بهره وری نور استخراج" ؛ هیرایاما سخت تلاش می کند تا این سه کارآیی را بهبود بخشد.
بازده کوانتومی داخلی مقداری است که نسبت جفت الکترون و حفره ایجاد شده توسط جریان را برای تابش نور نشان می دهد و میزان تابش صاف لایه نور ساطع کننده را نشان می دهد. با رشد منظم کریستال و کاهش عیوب ، بازده کوانتومی داخلی با موفقیت بهبود یافته است.
بازده تزریق الکترون به نسبت الکترون هایی اشاره می کند که در جریان تزریق شده وارد لایه ساطع کننده نور می شوند. LED معمولی ماوراء بنفش عمیق دارای یک مشکل است که الکترون های تزریق شده وارد لایه ساطع کننده نور نمی شوند ، بلکه از طرف لایه p نشت می کنند.
مقدمه می گوید:"؛ دلیل این است که تعداد حفره های نیمه رسانای نوع p با تعداد الکترون های نیمه هادی نوع n متعادل نیست. از آنجا که افزایش تعداد حفره ها دشوار است ، یک لایه مسدود کننده الکترون (مانع چند کوانتومی) تشکیل می شود تا الکترونهای نامحدودی را که مستقیماً عبور می کنند منعکس کند. ، به طور موثر"؛ (شکل 3). در نتیجه ، راندمان تزریق الکترون تا حد زیادی بهبود می یابد.
رویا باید روی منبع نور لیزر اعمال شود
LED UV ماوراء بنفش عمیق توسعه یافته توسط AlGaN همچنین دارای مزایایی در محدوده کاربرد است. او با انتظار اظهار داشت:"؛ با تغییر ترکیب بلور ، طول موج فرابنفش عمیق را می توان تنظیم کرد. این نیز یک ویژگی است. در حال حاضر ، LED های UVC ماوراء بنفش عمیق در باند 222-351 نانومتر اجرا شده است. شما می توانید آزادانه طول موج مورد نظر را با توجه به برنامه ایجاد کنید. اشعه ماوراء بنفش عمیق ، مانند نوری حدود 310 نانومتر که برای درمان درماتیت آتوپیک و پسوریازیس استفاده می شود و غیره"؛
این یک فناوری در حال توسعه است. توان خروجی باید از ده ها میلی وات فعلی به چند وات افزایش یابد. انتظار می رود که در آینده در عقیم سازی ، تصفیه آب ، تصفیه هوا ، درمان پزشکی ، صنایع بیوشیمیایی ، سخت شدن و پردازش رزین و چاپ استفاده شود. و نقاشی و سایر زمینه ها.
با نگاهی به آینده ، او گفت:"؛ در آینده ، ما قصد داریم یک دیود لیزری ماوراء بنفش عمیق (LD) را توسعه دهیم که می تواند به قدرت خروجی بیشتری دست یابد. در صورت دستیابی به آن ، باید بتواند محیط ذخیره سازی با ظرفیت زیاد و مواد مضر را که از ظرفیت دیسک های Blu-ray فراتر می رود تجزیه کند."؛
فضای توسعه LED UVC ماوراء بنفش عمیق هنوز بسیار بزرگ است.
