L'invenzione del LED blu (diodo a emissione di luce), considerata difficile da realizzare per molti anni, ha dato vita a dispositivi di illuminazione e display a risparmio energetico e di lunga durata, che hanno cambiato notevolmente il mondo. Una delle ultime ricerche di frontiera è che può produrre LED UV con lunghezze d'onda più corte rispetto ai LED blu.
Tra i raggi ultravioletti, i raggi ultravioletti profondi con una lunghezza d'onda particolarmente corta hanno elevate capacità di sterilizzazione e dovrebbero essere utilizzati nelle fabbriche e negli impianti di depurazione dell'acqua (Figura 1). La maggior parte delle lampade germicide attualmente in uso utilizza mercurio, ma con l'entrata in vigore del Trattato di Minamata sul mercurio nel 2017, la comunità internazionale ha iniziato a lavorare per ridurre l'uso del mercurio. In questo contesto, sono previsti LED UVC ultravioletti profondi. I prodotti che utilizzano LED a ultravioletti profondi hanno iniziato a essere immessi sul mercato, ma l'efficienza luminosa e la potenza di uscita attuali sono insufficienti.
Hirayama, che ha iniziato a ricercare i LED UV nel 1996, ha affermato con sicurezza: “Sebbene la competizione per lo sviluppo sia spietata, il LED UV UVC profondo che abbiamo sviluppato ha raggiunto la più alta efficienza luminosa al mondo del 20,3%. Tuttavia, se vogliamo ottenere un uso diffuso, l'efficienza luminosa dovrà essere ulteriormente migliorata per superare la lampada al mercurio a bassa pressione utilizzata come lampada germicida e l'obiettivo attuale è superare il 30%."
La struttura di base di un LED è una giunzione pn formata dall'unione di un semiconduttore di tipo n con più elettroni e un semiconduttore di tipo p con elettroni insufficienti (con buchi). Dopo l'applicazione di una tensione, elettroni e lacune si combinano per emettere luce, ma il colore (lunghezza d'onda) della luce e la tensione richiesta per emettere luce sono diversi a seconda del tipo di semiconduttore. Al fine di sviluppare semiconduttori in grado di generare luce della lunghezza d'onda desiderata, un gran numero di ricercatori ha esplorato vari materiali. Hirayama disse:"Se può emettere luce solo nella regione dell'ultravioletto, non è pratico. Perché ha anche bisogno di emettere luce in modo più efficiente rispetto alle precedenti sorgenti luminose e può essere prodotto in serie a un costo inferiore." Ci si aspetta che il nitruro di alluminio e gallio (AlGaN) sia un materiale relativamente promettente, ma ci sono molti problemi.
Una nuova tecnologia in grado di generare cristalli puliti, i LED formano giunzioni pn facendo crescere cristalli con atomi ordinati su una sostanza di base (substrato). Il substrato semiconduttore utilizza zaffiro a buon mercato (Al2O3), ma a causa della differenza nella distanza (costante reticolare) tra gli atomi che compongono il cristallo, il cristallo di AlGaN si deforma quando cresce, causando difetti chiamati difetti del reticolo. Le crepe che si espandono lungo la linea del difetto sono chiamate difetti del cristallo. Se la densità del difetto (densità di dislocazione della filettatura) aumenta, l'efficienza luminosa diminuisce.
I LED blu devono formare una pellicola cristallina di nitruro di gallio (GaN) con meno difetti sul substrato. La tecnologia per realizzare questo film è stata sviluppata dal professore premio Nobel della Meijo University, Isamu Akasaki. Per i LED a ultravioletti profondi, sul substrato viene formato un film di cristalli di nitruro di alluminio (AlN) e su di esso viene coltivato il cristallo di AlGaN. Stabilito un film AlN di alta qualità sul substrato per ridurre i difetti. Ha ricordato:"Questo metodo ha fatto un passo avanti nel miglioramento dell'efficienza luminosa, superando il team di ricerca americano del concorrente'."
I cristalli di AlN sono prodotti dalla deposizione di vapore chimico organico metallico (MOCVD). Il materiale gassoso viene fornito al substrato di zaffiro ad una temperatura elevata di circa 1400 gradi per farlo crescere come un cristallo. Il metodo sviluppato da Hirayama prima fa crescere il nitruro di AlN come nucleo sul substrato e soffia gas di ammoniaca in un impulso per farlo crescere lateralmente per riempire lo spazio tra il nucleo. Quindi il gas viene continuamente fornito per impilarli verticalmente. Ripetendo questo processo di crescita dei cristalli, si può formare uno strato di AlN di alta qualità senza crepe (Figura 2). Ha detto:"Per fare cristalli puliti, è necessario controllare finemente la concentrazione di gas, la portata e la temperatura di reazione, ecc. Il flusso di gas è facile da essere turbolento ad alte temperature e richiede una grande esperienza. Pertanto, l'attrezzatura è semi-autocostruita e modificata secondo necessità." .
Migliorare l'efficienza luminosa agendo sulla struttura
L'efficienza luminosa è legata a 3 fattori. Il primo è"efficienza quantica interna", il secondo è"efficienza di iniezione elettronica" e il terzo è"efficienza di estrazione della luce" ;. Hirayama sta lavorando duramente per migliorare queste tre efficienze.
L'efficienza quantica interna è un valore che indica il rapporto tra elettroni e coppie di lacune generate dalla corrente per emettere luce e indica il grado in cui lo strato che emette luce emette luce in modo uniforme. Facendo crescere il cristallo in modo ordinato e riducendo i difetti, l'efficienza quantica interna è stata migliorata con successo.
L'efficienza di iniezione di elettroni si riferisce alla proporzione di elettroni che entrano nello strato di emissione di luce nella corrente iniettata. Il convenzionale LED UV ultravioletto profondo ha il problema che gli elettroni iniettati non entrano nello strato che emette luce, ma fuoriescono dal lato dello strato p.
L'introduzione diceva:"Il motivo è che il numero di buchi nel semiconduttore di tipo p non è bilanciato con il numero di elettroni nel semiconduttore di tipo n. Poiché è difficile aumentare il numero di lacune, viene formato uno strato di blocco degli elettroni (barriera multiquantica) per riflettere gli elettroni non legati che passano direttamente. , Effettivamente combinato" (Figura 3). Di conseguenza, l'efficienza dell'iniezione di elettroni è notevolmente migliorata.
Il sogno deve essere applicato alla sorgente di luce laser
Il LED UV ultravioletto profondo sviluppato da AlGaN presenta vantaggi anche nel campo di applicazione. Ha espresso in attesa:"Cambiando la composizione del cristallo, la lunghezza d'onda dell'ultravioletto profondo può essere regolata. Anche questa è una caratteristica. Attualmente, i LED UVC ultravioletti profondi sono stati implementati nella banda 222-351 nm. È possibile generare liberamente la lunghezza d'onda desiderata in base all'applicazione. Luce ultravioletta profonda, come la luce di circa 310 nanometri usata per trattare la dermatite atopica e la psoriasi, ecc."
Questa è una tecnologia in fase di sviluppo. La potenza di uscita deve essere aumentata dalle attuali decine di milliwatt a pochi watt. Dovrebbe essere utilizzato in futuro per la sterilizzazione, la purificazione dell'acqua, la purificazione dell'aria, il trattamento medico, l'industria biochimica, l'indurimento e la lavorazione della resina e la stampa. E pittura e altri campi.
Guardando al futuro, ha detto:"In futuro, abbiamo in programma di sviluppare un diodo laser a ultravioletti profondi (LD) in grado di raggiungere una maggiore potenza di uscita. Se può essere raggiunto, dovrebbe anche essere in grado di decomporre supporti di memorizzazione di grande capacità e sostanze nocive che superano la capacità dei dischi Blu-ray."
Lo spazio di sviluppo dei LED UVC a ultravioletti profondi è ancora molto ampio.
