המצאת ה-LED הכחול (דיודת פולטת אור), שנחשבה קשה להשגה במשך שנים רבות, הולידה גופי תאורה ותצוגות חסכוניים באנרגיה וותיקים, ששינו מאוד את העולם. אחד המחקרים האחרונים בגבול הוא שהוא יכול לייצר נורות UV עם אורכי גל קצרים יותר מאשר נוריות כחולות.
בקרב קרניים אולטרה סגולות, קרניים אולטרה סגולות עמוקות עם אורך גל קצר במיוחד הן יכולות עיקור גבוהות והן צפויות לשמש במפעלים ובמפעלי טיהור מים (איור 1). רוב מנורות החיידקים הנמצאות כיום בשימוש בכספית, אך עם כניסתה לתוקף של אמנת מינמטה על מרקורי בשנת 2017, הקהילה הבינלאומית החלה לפעול לצמצום השימוש בכספית. בהקשר זה, נורות UVC אולטרה סגול עמוקות צפויות. מוצרים המשתמשים נורות LED עמוקות אולטרה סגולות החלו לצאת לשוק, אך היעילות הזוהרת הנוכחית וכוח התפוקה אינן מספיקות.
Hirayama, שהחל לחקור נורות UV בשנת 1996, אמר בביטחון: "למרות תחרות הפיתוח היא עזה, LED UVC עמוק שפיתחנו השיג את היעילות הזוהרת הגבוהה ביותר בעולם של 20.3%. עם זאת, אם אנחנו רוצים להשיג שימוש נרחב, היעילות הזוהרת תהיה זה צריך להיות משופר עוד יותר כדי לעלות על מנורת כספית בלחץ נמוך המשמש מנורת חיידקים, והמטרה הנוכחית היא יעלה על 30%."
המבנה הבסיסי של LED הוא צומת pn שנוצר על ידי צירוף מוליך למחצה מסוג n עם יותר אלקטרונים ומוליך למחצה מסוג p עם אלקטרונים לא מספיקים (עם חורים). לאחר הפעלת מתח, אלקטרונים וחורים משתלבים כדי לפלוט אור, אך הצבע (אורך הגל) של האור והמתח הנדרש לפלוט אור שונים בהתאם לסוג המוליך למחצה. על מנת לפתח מוליכים למחצה שיכולים ליצור אור של אורך הגל הרצוי, מספר רב של חוקרים חקרו חומרים שונים. היראיאמה אמר: " אם הוא יכול לפלוט אור רק באזור האולטרה סגול, זה לא מעשי. כי זה גם צריך לפלוט אור ביעילות רבה יותר ממקורות אור קודמים, והוא יכול להיות מיוצר באופן המוני בעלות נמוכה יותר." אלומיניום גליום nitride (AlGaN) צפוי כחומר מבטיח יחסית, אבל יש בעיות רבות.
טכנולוגיה חדשה שיכולה ליצור גבישים מסודרים, נורות LED יוצרות צמתים על ידי גידול גבישים עם אטומים מסודרים על חומר בסיסי (מצע). מצע המוליכים למחצה משתמש בספיר זול (Al2O3), אך בשל ההבדל במרחק (קבוע סריג) בין האטומים המרכיבים את הגביש, גביש AlGaN מעוות כאשר הוא גדל, וגורם לפגמים הנקראים פגמים בסריג. סדקים המתרחבים לאורך קו הפגם נקראים פגמים בגביש. אם צפיפות הפגם (צפיפות נקע השחלה) גדלה, היעילות הזוהרת פוחתת.
נוריות כחולות צריכות ליצור סרט קריסטל גליום ניטריד (GaN) עם פחות פגמים על המצע. הטכנולוגיה למימוש הסרט פותחה על ידי הפרופסור זוכה פרס נובל באוניברסיטת מייג'ו, איסאמו אקאסאקי. עבור נורות LED אולטרה סגולות עמוקות, סרט קריסטל אלומיניום ניטריד (AlN) נוצר על המצע וקריסטל AlGaN גדל עליו. הקים סרט קרן באיכות גבוהה על המצע כדי להפחית פגמים. הוא נזכר: "שיטה זו עשתה פריצת דרך בשיפור היעילות הזוהרת, ועלתה על צוות המחקר האמריקאי של המתחרה".
גבישי ALN מיוצרים על ידי תצהיר אדים כימיים אורגניים מתכת (MOCVD). החומר הגזי מסופק למצע הספיר בטמפרטורה גבוהה של כ -1400 מעלות כדי לגרום לו לגדול כקריסטל. השיטה שפותחה על ידי Hirayama מגדלת לראשונה את AlN nitride כליבה על המצע, ומפוצצת גז אמוניה בדופק כדי לגרום לו לגדול לרוחב כדי למלא את הפער בין הליבה. ואז הגז מסופק ברציפות כדי לערום אותם אנכית. על ידי חזרה על תהליך צמיחת הגבישים הזה, ניתן ליצור שכבת AlN איכותית ללא סדקים (איור 2). אמר: "כדי ליצור גבישים מסודרים, אתה צריך לשלוט היטב בריכוז הגז, קצב הזרימה וטמפרטורת התגובה וכו '. זרימת הגז קלה להיות סוערת בטמפרטורות גבוהות ודורשת ניסיון עשיר. לכן, הציוד הוא חצי עצמי ומשתנה לפי הצורך."
לשפר את היעילות הזוהרת על ידי עבודה על המבנה
היעילות הזוהרת קשורה ל -3 גורמים. הראשון הוא "יעילות קוונטית פנימית", השני הוא "יעילות הזרקת אלקטרונים", והשלישי הוא "יעילות מיצוי אור". Hirayama עובד קשה כדי לשפר את שלוש היעילות האלה.
היעילות הקוונטית הפנימית היא ערך המציין את היחס בין זוגות אלקטרונים וחורים הנוצרים על ידי זרם כדי לפלוט אור, ומציין את המידה שבה השכבה פולטת האור פולטת אור בצורה חלקה. על ידי הפיכת הגביש לגדול בצורה מסודרת והפחתת פגמים, היעילות הקוונטית הפנימית שופרה בהצלחה.
יעילות הזרקת האלקטרונים מתייחסת לחלקם היחסי של אלקטרונים שנכנסים לשכבה פולטת האור בזרם המוזרק. נורית UV האולטרה סגולה העמוקה הקונבנציונלית יש בעיה כי האלקטרונים המוזרקים אינם נכנסים לשכבה פולטת אור, אבל לדלוף מהצד p-שכבה.
בהקדמה נאמר: "הסיבה לכך היא שמספר החורים במוליך למחצה מסוג p אינו מאוזן עם מספר האלקטרונים במוליך למחצה מסוג n. מכיוון שקשה להגדיל את מספר החורים, נוצרת שכבת חסימת אלקטרונים (מחסום רב-קוונטי) כדי לשקף את האלקטרונים הלא מאוגדים העוברים ישירות. שילוב יעיל" (איור 3). כתוצאה מכך, יעילות הזרקת האלקטרונים משופרת מאוד.
החלום הוא להיות מיושם על מקור אור לייזר
LED UV אולטרה סגול עמוק שפותח על ידי AlGaN יש גם יתרונות בטווח היישומים. הוא הביע בציפייה: " על ידי שינוי הרכב הגביש, ניתן להתאים את אורך הגל של האולטרה סגול העמוק. זוהי גם תכונה. נכון לעכשיו, נורות UVC אולטרה סגול עמוקות יושמו בפס 222-351 ננומטר. אתה יכול ליצור בחופשיות את אורך הגל הרצוי על פי היישום. אור אולטרה סגול עמוק, כגון אור של כ-310 ננומטר המשמש לטיפול אטופיק דרמטיטיס ופסוריאזיס וכו'".
זוהי טכנולוגיה בפיתוח. יש להגדיל את כוח התפוקה מעשרות המילי-וואט הנוכחיים לכמה וואטים. הוא צפוי לשמש לעיקור, טיהור מים, טיהור אוויר, טיפול רפואי, תעשייה ביוכימית, התקשות ועיבוד שרף, והדפסה בעתיד. וציור ותחומים אחרים.
במבט לעתיד, הוא אמר: "בעתיד, אנו מתכננים לפתח דיודת לייזר אולטרה סגולה עמוקה (LD) שיכולה להשיג כוח תפוקה גדול יותר. אם זה יכול להיות מושגת, זה צריך להיות גם מסוגל לפרק מדיה אחסון בקיבולת גדולה וחומרים מזיקים העולים על הקיבולת של דיסקים Blu-ray."
מרחב הפיתוח של LED UVC אולטרה סגול עמוק עדיין גדול מאוד.
