So funktioniert eine UVC-LED
Wie UVC-LEDs wirklich funktionieren, ist eine beliebte Frage von Unternehmen, die UVC-LEDs für Desinfektionszwecke in Betracht ziehen. In diesem Artikel beschreiben wir die Funktionsweise dieser Technologie.
Prinzipien von LEDs im Allgemeinen
Wenn ein Strom durch eine Leuchtdiode (LED), ein Halbleiterbauelement, geleitet wird, sendet diese Licht aus. Während extrem reine, defektfreie Halbleiter (auch als intrinsische Halbleiter bekannt) Elektrizität typischerweise sehr ineffizient leiten, können dem Halbleiter Dotierstoffe zugesetzt werden, um seine Leitfähigkeit entweder in positiv geladene Löcher (n-Typ-Halbleiter) oder negativ geladene Elektronen (p-Typ-Halbleiter) zu ändern. Typ Halbleiter).
Eine LED besteht aus einem pn-Übergang, bei dem ein Halbleiter vom p-Typ auf einem Halbleiter vom n-Typ platziert ist. Wenn eine Durchlassvorspannung (oder Spannung) angelegt wird, werden Löcher im p-Typ-Material in die entgegengesetzte Richtung (da sie positiv geladen sind) in Richtung des n-Typ-Materials gedrückt.
In ähnlicher Weise werden Elektronen in der n-Typ-Region in Richtung der p-Typ-Region gedrückt. Die Elektronen und Löcher vereinigen sich an der Verbindungsstelle zwischen den p-Typ- und n-Typ-Materialien, und jedes Rekombinationsereignis führt zur Erzeugung eines Energiequantums, das ein inhärentes Merkmal des Halbleiters ist, in dem die Rekombination stattfindet.
Im Valenzband des Halbleiters entstehen Löcher, während im Leitungsband Elektronen entstehen. Die Bandlückenenergie, die sich auf die Energiedifferenz zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband bezieht, wird durch die Bindungseigenschaften des Halbleiters bestimmt.
Ein einzelnes Lichtphoton mit einer Energie und Wellenlänge (beide sind durch die Planck-Gleichung miteinander verbunden), die durch die Bandlücke des im aktiven Bereich des Geräts verwendeten Materials bestimmt wird, wird durch Strahlungsrekombination erzeugt.
Eine weitere Möglichkeit ist die strahlungslose Rekombination, bei der die durch die Elektronen- und Lochrekombination erzeugte Energie zu Wärme statt zu Lichtphotonen führt. In Halbleitern mit direkter Bandlücke umfassen diese strahlungslosen Rekombinationsprozesse elektronische Zustände in der Mitte der Bandlücke, die durch Fehler verursacht werden.
Unser Ziel ist es, den Anteil der strahlenden Rekombination im Vergleich zur nicht strahlenden Rekombination zu verbessern, da wir möchten, dass unsere LEDs Licht statt Wärme abgeben. Eine Methode hierfür besteht darin, der aktiven Fläche der Diode trägerbegrenzende Schichten und Quantentöpfe hinzuzufügen, um die Konzentration der Elektronen und Löcher zu erhöhen, die unter den richtigen Umständen eine Rekombination durchlaufen.
Ein weiterer entscheidender Faktor ist die verringerte Defektkonzentration im aktiven Bereich des Geräts, die zu einer strahlungslosen Rekombination führt. Da Versetzungen die Hauptquelle nichtstrahlender Rekombinationszentren sind, spielen sie in der Optoelektronik eine entscheidende Rolle. Versetzungen können aus einer Vielzahl von Faktoren resultieren, aber um eine niedrige Dichte zu erreichen, müssen die n- und p-Typ-Schichten, die den aktiven Bereich der LED bilden, immer auf einem gitterangepassten Substrat aufgewachsen werden. Wenn nicht, werden Versetzungen hinzugefügt, um die Variation in der Kristallgitterstruktur zu berücksichtigen.
Daher erfordert die Maximierung der LED-Leistung eine Reduzierung der Versetzungsdichten bei gleichzeitiger Erhöhung der Strahlungsrekombinationsrate im Vergleich zur nichtstrahlenden Rekombinationsrate.
LEDs UVC
Zu den Anwendungen für ultraviolette (UV) LEDs gehören die Aufbereitung von Wasser, die optische Datenspeicherung, die Kommunikation, die Erkennung biologischer Wirkstoffe und die Aushärtung von Polymeren. Wellenlängen zwischen 100 nm und 280 nm werden als UVC-Anteil des UV-Spektrums bezeichnet.
Die ideale Wellenlänge für die Desinfektion liegt zwischen 260 und 270 nm, wobei längere Wellenlängen zu einer exponentiell geringeren keimtötenden Wirksamkeit führen. Im Vergleich zu herkömmlichen Quecksilberlampen bieten UVC-LEDs eine Reihe von Vorteilen, darunter das Fehlen gefährlicher Materialien, das sofortige Ein-/Ausschalten ohne Zyklusbeschränkungen, einen geringeren Wärmeverbrauch durch gezielte Wärmeentnahme und eine längere Haltbarkeit.
Bei UVC-LEDs ist ein höherer Molanteil an Aluminium erforderlich, um kurzwellige Emission zu erzeugen (260 nm bis 270 nm zur Desinfektion), was die Entwicklung und Dotierung des Materials zu einer Herausforderung macht. Historisch gesehen war Saphir das am häufigsten verwendete Substrat für III-Nitride, da gitterangepasste Massensubstrate nicht leicht zugänglich waren. Eine erhebliche Gitterfehlanpassung zwischen Saphir und der AlGaN-Struktur mit hohem Al-Gehalt von UVC-LEDs führt zu mehr nichtstrahlender Rekombination (Defekten).
Der Unterschied zwischen den beiden Technologien scheint im UVB-Bereich und bei längeren Wellenlängen weniger ausgeprägt zu sein, wo die Gitterfehlanpassung mit AlN größer ist, weil höhere Ga-Konzentrationen erforderlich sind. Dieser Effekt scheint sich bei höherer Al-Konzentration zu verschlimmern, sodass UVC-LEDs auf Saphirbasis bei Wellenlängen unter 280 nm tendenziell schneller an Leistung verlieren als UVC-LEDs auf AlN-Basis.
Pseudomorphes Wachstum auf nativen AlN-Substraten erzeugt atomar flache, defektarme Schichten mit einer Spitzenleistung bei 265 nm, was sowohl der maximalen keimtötenden Absorption entspricht als auch die Auswirkungen der Unsicherheit verringert, die durch die spektralabhängige Absorptionsstärke verursacht werden. Dies wird erreicht, indem der größere Gitterparameter des intrinsischen AlGaN so komprimiert wird, dass er auf das AlN passt, ohne Defekte einzuführen.
BENWEI hat hochwertige AlN-Substrate mit Massengitteranpassung entwickelt, die eine geringere interne Absorption und eine höhere interne Effizienz ermöglichen. Diese Substrate liefern hochwertigere, leistungsstärkere LEDs mit Wellenlängen im keimtötenden Bereich, die bei der Herstellung von Klaran UVC-LEDs und -Produkten eingesetzt werden.
