Як працює UVC LED
Як насправді працюють УФ-світлодіоди — популярний запит серед компаній, які шукають УФ-світлодіоди для дезінфекції. У цій статті ми описуємо роботу цієї технології.
Принцип роботи світлодіодів у загальних рисах
Коли струм проходить через світлодіод (LED), напівпровідниковий пристрій, він випромінює світло. У той час як надзвичайно чисті, бездефектні напівпровідники (також відомі як власні напівпровідники) зазвичай дуже неефективно проводять електрику, до напівпровідника можна додавати легуючі добавки, щоб змінити його провідність до позитивно заряджених дірок (напівпровідник n-типу) або негативно заряджених електронів (p- тип напівпровідника).
Pn-перехід, де напівпровідник p-типу розміщується поверх напівпровідника n-типу, утворює світлодіод. Коли подається прямий зсув (або напруга), отвори в матеріалі p-типу штовхаються в протилежному напрямку (оскільки вони позитивно заряджені) до матеріалу n-типу.
Подібним чином електрони в області n-типу штовхаються до області p-типу. Електрони та дірки об’єднуватимуться на стику між матеріалами p-типу та n-типу, і кожна подія рекомбінації призведе до виробництва кванта енергії, що є невід’ємною особливістю напівпровідника, де відбувається рекомбінація.
У валентній зоні напівпровідника утворюються дірки, тоді як електрони утворюються в зоні провідності. Енергія забороненої зони, яка відноситься до різниці енергій між зоною провідності та валентною зоною, визначається властивостями зв’язку напівпровідника.
Через рекомбінацію випромінювання утворюється один фотон світла з енергією та довжиною хвилі (обидва зв’язані один з одним рівнянням Планка), які визначаються шириною забороненої зони матеріалу, що використовується в активній зоні пристрою.
Іншою можливістю є безвипромінювальна рекомбінація, коли енергія, утворена рекомбінацією електронів і дірок, призводить до утворення тепла замість фотонів світла. У прямозонних напівпровідниках ці процеси безвипромінювальної рекомбінації включають електронні стани середньої забороненої зони, викликані дефектами.
Ми прагнемо покращити частку радіаційної рекомбінації відносно невипромінювальної рекомбінації, тому що ми хочемо, щоб наші світлодіоди випромінювали світло, а не тепло. Щоб зробити це, одним із методів є додавання шарів, що утримують носії, і квантових ям до активної області діода, щоб підвищити концентрацію електронів і дірок, які за правильних обставин зазнають рекомбінації.
Іншим важливим фактором є зниження концентрації дефектів в активній зоні пристрою, що призводить до безвипромінювальної рекомбінації. Оскільки дислокації є основним джерелом центрів безвипромінювальної рекомбінації, вони відіграють вирішальну роль в оптоелектроніці. Дислокації можуть виникати внаслідок різноманітних факторів, але для досягнення низької щільності шари n- та p-типу, які складають активну область світлодіода, завжди повинні бути вирощені на підкладці з решіткою. Якщо ні, дислокації будуть додані, щоб врахувати зміну структури кристалічної решітки.
Таким чином, максимізація продуктивності світлодіодів передбачає зменшення щільності дислокацій при одночасному підвищенні швидкості радіаційної рекомбінації порівняно зі швидкістю безрадіаційної рекомбінації.
Світлодіоди UVC
Застосування ультрафіолетових (УФ) світлодіодів включає очищення води, зберігання оптичних даних, зв’язок, виявлення біологічних агентів і затвердіння полімерів. Довжини хвиль від 100 нм до 280 нм називають УФ-частиною УФ-спектру.
Ідеальна довжина хвилі для дезінфекції становить від 260 до 270 нм, причому довша довжина хвилі забезпечує експоненціально меншу бактерицидну ефективність. У порівнянні зі звичайними ртутними лампами світлодіоди UVC забезпечують низку переваг, включаючи відсутність небезпечних матеріалів, миттєве вмикання/вимкнення без обмежень циклу, знижене споживання тепла за допомогою цілеспрямованого відведення тепла та підвищену довговічність.
У випадку ультрафіолетових світлодіодів необхідний більший молярний відсоток алюмінію для створення короткохвильового випромінювання (від 260 нм до 270 нм для дезінфекції), що ускладнює розробку та легування матеріалу. Історично склалося так, що сапфір був найбільш широко використовуваною підкладкою для III-нітридів, оскільки масові підкладки з узгодженою ґраткою були важкодоступними. Значна невідповідність гратки між сапфіром і структурою AlGaN з високим вмістом Al в УФС-світлодіодах спричиняє більше нерадіаційної рекомбінації (дефектів).
Різниця між цими двома технологіями менш виражена в діапазоні UVB і на більших довжинах хвиль, де невідповідність гратки з AlN є більшою, оскільки потрібні вищі концентрації Ga. Цей ефект, здається, погіршується при вищій концентрації Al, тому світлодіоди UVC на основі сапфіра мають тенденцію до зниження потужності на довжинах хвиль, коротших за 280 нм, швидше, ніж світлодіоди UVC на основі AlN.
Псевдоморфний ріст на нативних підкладках AlN створює атомарно плоскі шари з низьким дефектом з піковою потужністю при 265 нм, що відповідає як максимальному бактерицидному поглинанню, так і зменшує наслідки невизначеності, спричинені спектрально-залежною силою поглинання. Це досягається шляхом стиснення більшого параметра решітки внутрішнього AlGaN, щоб він підходив до AlN без внесення дефектів.
Компанія BENWEI створила високоякісні об’ємні підкладки AlN, що відповідають гратці, що забезпечує нижче внутрішнє поглинання та більшу внутрішню ефективність. Ці підкладки забезпечують якісніші та потужніші світлодіоди з довжиною хвилі в бактерицидній області, які використовуються у виробництві світлодіодів Klaran UVC та товарів.
