UVC LED の仕組み
UVC LED が実際にどのように機能するかは、消毒目的で UVC LED を検討している企業からのよくある質問です。 この記事では、このテクノロジーの仕組みについて説明します。
LED一般の原理
半導体デバイスである発光ダイオード（LED）に電流が流れると、発光します。 非常に純粋で欠陥のない半導体 (真性半導体とも呼ばれる) は通常、非常に非効率的に電気を伝導しますが、ドーパントを半導体に追加して、その導電性を正に帯電した正孔 (n 型半導体) または負に帯電した電子 (p-型半導体) に変えることができます。型半導体）。
pn 接合は、p 型半導体が n 型半導体の上に配置され、LED を構成します。 順方向バイアス (または電圧) が与えられると、p 型材料内の正孔は (正に帯電しているため) n 型材料に向かって反対方向に押されます。
同様に、n 型領域の電子は p 型領域に向かって押し出されます。 電子と正孔は、p 型材料と n 型材料の間の接合部で結合し、各再結合イベントにより、再結合が起こる半導体の固有の特徴であるエネルギー量子が生成されます。
半導体の価電子帯では正孔が生成され、伝導帯では電子が生成されます。 バンドギャップ エネルギーは、伝導帯と価電子帯の間のエネルギー差を指し、半導体の結合特性によって支配されます。
デバイスの活性領域で利用される材料のバンドギャップによって決定されるエネルギーと波長 (この 2 つはプランクの方程式によって相互に結び付けられます) を持つ光の単一光子が、放射線再結合によって生成されます。
電子と正孔の再結合によって生成されるエネルギーが光子の代わりに熱をもたらす場合、非放射再結合が別の可能性として考えられます。 直接バンドギャップ半導体では、これらの非発光再結合プロセスには、欠陥によってもたらされるミッドギャップ電子状態が含まれます。
LED が熱ではなく光を放射するようにしたいため、非放射再結合と比較して放射再結合の割合を改善することを目指しています。 これを行うための 1 つの方法は、ダイオードのアクティブ領域にキャリア閉じ込め層と量子井戸を追加して、適切な状況下で再結合が起こる電子と正孔の濃度を高めることです。
非発光再結合を引き起こすデバイスの活性領域内の欠陥濃度の低減も、もう 1 つの重要な要素です。 転位は非放射性再結合中心の主な発生源であるため、オプトエレクトロニクスにおいて重要な役割を果たします。 転位はさまざまな要因によって発生しますが、低密度を実現するには、LED のアクティブ領域を構成する n 型層と p 型層を常に格子整合した基板上に成長させる必要があります。 そうでない場合、結晶格子構造の変化を考慮して転位が追加されます。
したがって、LEDの性能を最大化するには、非発光再結合率と比較して発光再結合率を高めながら、転位密度を減らすことが必要になります。
LED UVC
紫外 (UV) LED の用途には、水の処理、光データ保存、通信、生物因子の検出、ポリマーの硬化などが含まれます。 100 nm ～ 280 nm の波長は、UV スペクトルの UVC 部分と呼ばれます。
消毒に理想的な波長は 260 ～ 270 nm で、波長が長くなると殺菌効率が急激に低くなります。 従来の水銀ランプと比較して、UVC LED には、有害物質の不存在、サイクル制限のない瞬時のオン/オフ切り替え、集中的な熱抽出による熱消費量の削減、耐久性の向上など、多くの利点があります。
UVC LED の場合、短波長発光 (消毒の場合は 260 nm ～ 270 nm) を生成するには、より高いアルミニウム モル パーセンテージが必要となるため、材料の開発とドーピングが困難になります。 歴史的に、格子整合したバルク基板は容易に入手できなかったため、サファイアがIII族窒化物用の基板として最も広く利用されてきました。 サファイアと UVC LED の高 Al 含有量 AlGaN 構造との間の実質的な格子不整合により、より多くの非発光再結合 (欠陥) が発生します。
2 つの技術間の違いは、UVB 範囲および長波長ではそれほど顕著ではないように見えます。この場合、高濃度の Ga が必要なため、AlN との格子不整合が大きくなります。 この影響は、Al 濃度が高くなると悪化するため、サファイアベースの UVC LED は、280 nm より短い波長で AlN ベースの UVC LED よりも早く出力が低下する傾向があります。
ネイティブ AlN 基板上での擬似成長により、265 nm にピークパワーを持つ原子的に平坦な低欠陥層が生成されます。これは、最大殺菌吸収に相当し、スペクトル依存の吸収強度によってもたらされる不確実性の影響も軽減します。 これは、欠陥を導入することなく、真性 AlGaN のより大きな格子定数を圧縮して AlN 上にフィットさせることによって実現されます。
BENWEI によって高品質のバルク格子整合 AlN 基板が作成され、内部吸収の低減と内部効率の向上が可能になりました。 これらの基板は、Klaran UVC LED および製品の製造に採用される、殺菌領域の波長を備えた高品質でより強力な LED を提供します。
