Sådan fungerer en UVC LED
Hvordan UVC LED'er virkelig fungerer, er en populær forespørgsel fra virksomheder, der ser på UVC LED'er til desinfektionsformål. I denne artikel beskriver vi, hvordan denne teknologi fungerer.
Principper for lysdioder generelt
Når en strøm ledes gennem en lysemitterende diode (LED), en halvlederenhed, udsender den lys. Mens ekstremt rene, defektfrie halvledere (også kendt som iboende halvledere) typisk leder elektricitet meget ineffektivt, kan dopingstoffer tilsættes halvlederen for at ændre dens ledningsevne til enten positivt ladede huller (n-type halvleder) eller negativt ladede elektroner (p- type halvleder).
En pn-junction, hvor en p-type halvleder er placeret oven på en n-type halvleder, udgør en LED. Når en fremadgående forspænding (eller spænding) er givet, skubbes huller i p-type materialet i den modsatte retning (da de er positivt ladet) mod n-type materialet.
På samme måde skubbes elektroner i n-type-området mod p-type-området. Elektronerne og hullerne vil kombineres i krydset mellem p-type og n-type materialer, og hver rekombinationshændelse vil resultere i produktionen af et kvantum af energi, der er et iboende træk ved halvlederen, hvor rekombinationen sker.
I halvlederens valensbånd produceres huller, hvorimod elektroner produceres i ledningsbåndet. Båndgab-energien, som refererer til energiforskellen mellem ledningsbåndet og valensbåndet, er styret af halvlederens bindingsegenskaber.
En enkelt foton af lys med en energi og bølgelængde (de to er forbundet med hinanden ved Plancks ligning) dikteret af båndgabet af det materiale, der anvendes i det aktive område af enheden, produceres via strålingsrekombination.
Ikke-strålende rekombination er en anden mulighed, når energien genereret af elektron- og hulrekombinationen resulterer i varme i stedet for lysfotoner. I direkte båndgab-halvledere omfatter disse ikke-strålende rekombinationsprocesser elektroniske tilstande med mellemrum forårsaget af fejl.
Vi sigter mod at forbedre andelen af strålingsrekombination i forhold til ikke-strålende rekombination, fordi vi ønsker, at vores LED'er udsender lys i stedet for varme. For at gøre dette er en metode at tilføje bærerbegrænsende lag og kvantebrønde til diodens aktive område i et forsøg på at øge koncentrationen af de elektroner og huller, der under de korrekte omstændigheder gennemgår rekombination.
Reduceret defektkoncentration i enhedens aktive område, som fører til ikke-strålende rekombination, er en anden afgørende faktor. Fordi dislokationer er hovedkilden til ikke-strålende rekombinationscentre, spiller de en afgørende rolle i optoelektronik. Forskydninger kan skyldes en række forskellige faktorer, men for at opnå en lav tæthed skal lagene af n- og p-typen, der udgør det aktive område af LED'en, altid dyrkes på et gittertilpasset underlag. Hvis ikke, vil dislokationer blive tilføjet for at tage højde for variationen i krystalgitterstrukturen.
Derfor indebærer maksimering af LED-ydeevne en reduktion af dislokationstætheder, samtidig med at strålingsrekombinationshastigheden øges sammenlignet med ikke-strålende rekombinationshastighed.
LED UVC
Anvendelser for ultraviolette (UV) LED'er omfatter behandling af vand, optisk datalagring, kommunikation, påvisning af biologiske midler og hærdning af polymerer. Bølgelængder mellem 100 nm og 280 nm omtales som UVC-delen af UV-spektret.
Den ideelle bølgelængde til desinfektion er mellem 260 og 270 nm, med længere bølgelængder, der producerer eksponentielt mindre bakteriedræbende effektivitet. Sammenlignet med konventionelle kviksølvlamper giver UVC-LED'er en række fordele, herunder fravær af farlige materialer, øjeblikkelig tænd/sluk-sluk uden cyklusbegrænsninger, reduceret varmeforbrug med fokuseret varmeudvinding og øget holdbarhed.
I tilfælde af UVC-LED'er er en større molprocent af aluminium nødvendig for at generere emission med kort bølgelængde (260 nm til 270 nm til desinfektion), hvilket gør udvikling og doping af materialet udfordrende. Historisk set var safir det mest udbredte substrat for III-nitriderne, da bulkgitter-matchede substrater ikke var let tilgængelige. Et væsentligt gittermisforhold mellem safir og AlGaN-strukturen med højt Al-indhold af UVC LED'er forårsager mere ikke-strålende rekombination (defekter).
Forskellen mellem de to teknologier ser ud til at være mindre udtalt i UVB-området og ved længere bølgelængder, hvor gitter-mismatchen med AlN er større, fordi højere koncentrationer af Ga er påkrævet. Denne effekt ser ud til at blive værre ved højere Al-koncentration, så safir-baserede UVC-LED'er har en tendens til at falde i effekt ved bølgelængder kortere end 280 nm hurtigere end AlN-baserede UVC-LED'er.
Pseudomorf vækst på native AlN-substrater producerer atomisk flade, lave defekte lag med en spidseffekt ved 265 nm, hvilket svarer til både den maksimale bakteriedræbende absorption og også mindsker virkningerne af usikkerhed forårsaget af spektralafhængig absorptionsstyrke. Dette opnås ved at komprimere den større gitterparameter af iboende AlGaN for at passe på AlN uden at indføre defekter.
Højkvalitets bulk gitter-match AlN-substrater er blevet skabt af BENWEI, hvilket giver mulighed for lavere intern absorption og større intern effektivitet. Disse substrater giver højere kvalitet, mere potente LED'er med bølgelængder i det bakteriedræbende område, som bruges i produktionen af Klaran UVC LED'er og varer.
