Penemuan LED biru (diod pemancar cahaya), yang dianggap sukar dicapai selama bertahun-tahun, melahirkan lekapan dan paparan lampu penjimatan tenaga dan jangka panjang, yang sangat mengubah dunia. Salah satu penyelidikan perbatasan terkini adalah bahawa ia dapat menghasilkan LED UV dengan panjang gelombang yang lebih pendek daripada LED biru.
Di antara sinar ultraviolet, sinar ultraviolet mendalam dengan panjang gelombang yang sangat pendek mempunyai keupayaan pensterilan tinggi dan diharapkan dapat digunakan di kilang dan kilang pembersihan air (Gambar 1). Sebilangan besar lampu kuman pada masa ini menggunakan merkuri, tetapi dengan berlakunya Perjanjian Minamata mengenai Merkuri pada tahun 2017, masyarakat antarabangsa telah mulai berusaha untuk mengurangkan penggunaan merkuri. Dalam konteks ini, LED UVC ultraviolet mendalam diharapkan. Produk yang menggunakan LED ultraviolet mendalam sudah mulai tersedia di pasaran, tetapi kecekapan bercahaya dan daya keluaran semasa tidak mencukupi.
Hirayama, yang mulai meneliti LED UV pada tahun 1996, mengatakan dengan yakin: "Walaupun persaingan pengembangannya sengit, LED UVC UV mendalam yang kami kembangkan telah mencapai kecekapan bercahaya tertinggi di dunia sebanyak 20.3%. Walau bagaimanapun, jika kita ingin mencapai penggunaan yang meluas, kecekapan bercahaya adalah Perlu diperbaiki lebih jauh untuk melebihi lampu merkuri bertekanan rendah yang digunakan sebagai lampu kuman, dan tujuannya sekarang adalah melebihi 30%."
Struktur asas LED adalah persimpangan pn yang terbentuk dengan bergabung dengan semikonduktor jenis-n dengan lebih banyak elektron dan semikonduktor jenis-p dengan elektron yang tidak mencukupi (dengan lubang). Selepas voltan digunakan, elektron dan lubang bergabung untuk memancarkan cahaya, tetapi warna (panjang gelombang) cahaya dan voltan yang diperlukan untuk memancarkan cahaya berbeza bergantung pada jenis semikonduktor. Untuk mengembangkan semikonduktor yang dapat menghasilkan cahaya dari panjang gelombang yang diinginkan, sebilangan besar penyelidik telah meneroka pelbagai bahan. Hirayama berkata:" Jika hanya dapat memancarkan cahaya di wilayah ultraviolet, itu tidak praktikal. Kerana ia juga perlu memancarkan cahaya dengan lebih efisien daripada sumber cahaya sebelumnya, dan dapat dihasilkan secara besar-besaran dengan biaya yang lebih rendah." Aluminium gallium nitride (AlGaN) diharapkan sebagai bahan yang agak menjanjikan, tetapi terdapat banyak masalah.
Teknologi baru yang dapat menghasilkan kristal rapi, LED membentuk persimpangan pn dengan mengembangkan kristal dengan atom yang dipesan pada bahan asas (substrat). Substrat semikonduktor menggunakan safir murah (Al2O3), tetapi kerana perbezaan jarak (pemalar kisi) antara atom yang membentuk kristal, kristal AlGaN cacat ketika tumbuh, menyebabkan kecacatan yang disebut cacat kisi. Keretakan yang mengembang di sepanjang garis kecacatan disebut cacat kristal. Sekiranya kepadatan kecacatan (ketumpatan dislokasi threading) meningkat, kecekapan bercahaya akan menurun.
LED biru perlu membentuk filem kristal gallium nitrida (GaN) dengan sedikit kecacatan pada substrat. Teknologi untuk merealisasikan filem ini dikembangkan oleh profesor pemenang Hadiah Nobel di Universiti Meijo, Isamu Akasaki. Untuk LED ultraviolet mendalam, filem kristal aluminium nitrida (AlN) terbentuk pada substrat dan kristal AlGaN ditanam di atasnya. Menubuhkan filem AlN berkualiti tinggi pada substrat untuk mengurangkan kecacatan. Dia ingat:" Kaedah ini telah membuat kejayaan dalam meningkatkan kecekapan bercahaya, mengatasi pasukan penyelidik Amerika&# 39."
Kristal AlN dihasilkan oleh pemendapan wap kimia organik logam (MOCVD). Bahan gas dibekalkan ke substrat nilam pada suhu tinggi sekitar 1400 darjah untuk menjadikannya tumbuh sebagai kristal. Kaedah yang dikembangkan oleh Hirayama pertama kali menumbuhkan AlN nitrida sebagai inti pada substrat, dan meniup gas ammonia dalam nadi untuk membuatnya tumbuh secara lateral untuk mengisi jurang antara inti. Kemudian gas terus dibekalkan untuk menumpuknya secara menegak. Dengan mengulangi proses pertumbuhan kristal ini, lapisan AlN berkualiti tinggi tanpa retakan dapat terbentuk (Gambar 2). Berkata:" Untuk membuat kristal yang rapi, anda perlu mengawal kepekatan gas, kadar aliran dan suhu tindak balas, dll. Aliran gas mudah bergelora pada suhu tinggi dan memerlukan banyak pengalaman. Oleh itu, peralatan ini separa buatan sendiri dan diubah suai mengikut keperluan." .
Tingkatkan kecekapan bercahaya dengan mengerjakan struktur
Kecekapan bercahaya berkaitan dengan 3 faktor. Yang pertama adalah" kecekapan kuantum dalaman", yang kedua adalah" kecekapan suntikan elektron" ;, dan yang ketiga adalah" kecekapan pengekstrakan cahaya" ;. Hirayama berusaha keras untuk meningkatkan ketiga-tiga kecekapan ini.
Kecekapan kuantum dalaman adalah nilai yang menunjukkan nisbah pasangan elektron dan lubang yang dihasilkan oleh arus untuk memancarkan cahaya, dan menunjukkan sejauh mana lapisan pemancar cahaya memancarkan cahaya dengan lancar. Dengan menjadikan kristal tumbuh rapi dan mengurangkan kecacatan, kecekapan kuantum dalaman berjaya ditingkatkan.
Kecekapan suntikan elektron merujuk kepada bahagian elektron yang memasuki lapisan pemancar cahaya dalam arus yang disuntik. LED UV ultraviolet mendalam konvensional mempunyai masalah bahawa elektron yang disuntikkan tidak memasuki lapisan pemancar cahaya, tetapi bocor dari sisi lapisan p.
Kata pengantar:" Sebabnya ialah bilangan lubang pada semikonduktor jenis-p tidak seimbang dengan bilangan elektron dalam semikonduktor jenis-n. Oleh kerana sukar untuk menambah bilangan lubang, lapisan penyekat elektron (penghalang multi-kuantum) dibentuk untuk memantulkan elektron yang tidak terikat yang melintas secara langsung. , Gabungan berkesan" (Gambar 3). Hasilnya, kecekapan suntikan elektron bertambah baik.
Impian harus diterapkan pada sumber cahaya laser
LED UV ultraviolet mendalam yang dikembangkan oleh AlGaN juga mempunyai kelebihan dalam rangkaian aplikasi. Dia menyatakan dengan penuh harapan:" Dengan mengubah komposisi kristal, panjang gelombang ultraviolet dalam dapat disesuaikan. Ini juga merupakan ciri. Pada masa ini, LED UVC ultraviolet mendalam telah dilaksanakan di jalur 222-351 nm. Anda boleh menghasilkan panjang gelombang yang dikehendaki dengan bebas mengikut aplikasi. Cahaya ultraviolet yang mendalam, seperti cahaya sekitar 310 nanometer yang digunakan untuk merawat dermatitis atopik dan psoriasis, dll."
Ini adalah teknologi yang sedang dikembangkan. Daya keluaran perlu ditingkatkan dari puluhan milliwatt semasa menjadi beberapa watt. Ini diharapkan dapat digunakan dalam pensterilan, pemurnian air, pemurnian udara, perawatan perubatan, industri biokimia, pengerasan dan pemprosesan resin, dan pencetakan di masa depan. Dan lukisan dan bidang lain.
Melihat ke masa depan, dia berkata:" Di masa depan, kami merancang untuk mengembangkan diod laser ultraviolet mendalam (LD) yang dapat mencapai daya output yang lebih besar. Sekiranya dapat dicapai, ia juga dapat menguraikan media penyimpanan berkapasiti besar dan bahan berbahaya yang melebihi kapasiti Cakera Blu-ray."
Ruang pengembangan LED UVC ultraviolet mendalam masih sangat besar.
