Comment fonctionne une LED UVC
Le fonctionnement réel des LED UVC est une question fréquemment posée par les entreprises qui examinent les LED UVC à des fins de désinfection. Dans cet article, nous décrivons le fonctionnement de cette technologie.
Principes des LED en général
Lorsqu'un courant est conduit à travers une diode électroluminescente (DEL), un dispositif semi-conducteur, il émet de la lumière. Alors que les semi-conducteurs extrêmement purs et sans défaut (également appelés semi-conducteurs intrinsèques) conduisent généralement l'électricité de manière très inefficace, des dopants peuvent être ajoutés au semi-conducteur pour modifier sa conductivité en trous chargés positivement (semi-conducteur de type n) ou en électrons chargés négativement (p- type semi-conducteur).
Une jonction pn, où un semi-conducteur de type p est placé au-dessus d'un semi-conducteur de type n, constitue une LED. Lorsqu'une polarisation directe (ou tension) est donnée, les trous dans le matériau de type p sont poussés dans la direction opposée (car ils sont chargés positivement) vers le matériau de type n.
De même, les électrons de la région de type n sont poussés vers la région de type p. Les électrons et les trous se combineront à la jonction entre les matériaux de type p et de type n, et chaque événement de recombinaison entraînera la production d'un quantum d'énergie qui est une caractéristique inhérente du semi-conducteur où la recombinaison se produit.
Dans la bande de valence du semi-conducteur, des trous sont produits, tandis que des électrons sont produits dans la bande de conduction. L'énergie de la bande interdite, qui fait référence à la différence d'énergie entre la bande de conduction et la bande de valence, est régie par les propriétés de liaison du semi-conducteur.
Un seul photon de lumière avec une énergie et une longueur d'onde (les deux sont reliées l'une à l'autre par l'équation de Planck) dictées par la bande interdite du matériau utilisé dans la zone active du dispositif est produit par recombinaison de rayonnement.
La recombinaison non radiative est une autre possibilité, lorsque l'énergie générée par la recombinaison des électrons et des trous produit de la chaleur au lieu de photons lumineux. Dans les semi-conducteurs à bande interdite directe, ces processus de recombinaison non radiatifs incluent des états électroniques à mi-gap provoqués par des défauts.
Nous visons à améliorer la proportion de recombinaison radiative par rapport à la recombinaison non radiative car nous voulons que nos LED émettent de la lumière plutôt que de la chaleur. Pour ce faire, une méthode consiste à ajouter des couches de confinement des porteurs et des puits quantiques à la zone active de la diode dans le but d'augmenter la concentration des électrons et des trous qui, dans les bonnes circonstances, subissent une recombinaison.
La concentration réduite de défauts dans la zone active du dispositif, qui conduit à une recombinaison non radiative, est un autre facteur crucial. Parce que les dislocations sont la principale source de centres de recombinaison non radiatifs, elles jouent un rôle crucial en optoélectronique. Les dislocations peuvent résulter de divers facteurs, mais pour obtenir une faible densité, les couches de type n et p qui composent la zone active de la LED doivent toujours être développées sur un substrat adapté au réseau. Sinon, des dislocations seront ajoutées pour tenir compte de la variation de la structure cristalline.
Par conséquent, maximiser les performances des LED implique de réduire les densités de dislocation tout en augmentant le taux de recombinaison radiative par rapport au taux de recombinaison non radiative.
LED UVC
Les applications des LED ultraviolettes (UV) incluent le traitement de l'eau, le stockage de données optiques, les communications, la détection d'agents biologiques et le durcissement de polymères. Les longueurs d'onde comprises entre 100 nm et 280 nm sont appelées la partie UVC du spectre UV.
La longueur d'onde idéale pour la désinfection se situe entre 260 et 270 nm, les longueurs d'onde plus longues produisant une efficacité germicide exponentiellement moindre. Par rapport aux lampes au mercure conventionnelles, les LED UVC offrent un certain nombre d'avantages, notamment l'absence de matières dangereuses, l'activation/désactivation instantanée sans restriction de cycle, une consommation de chaleur réduite avec une extraction de chaleur ciblée et une durabilité accrue.
Dans le cas des LED UVC, un pourcentage molaire d'aluminium plus important est nécessaire pour générer une émission à courte longueur d'onde (260 nm à 270 nm pour la désinfection), ce qui rend difficile le développement et le dopage du matériau. Historiquement, le saphir était le substrat le plus largement utilisé pour les nitrures III, car les substrats appariés au réseau en vrac n'étaient pas facilement accessibles. Une importante inadéquation du réseau entre le saphir et la structure AlGaN à haute teneur en Al des LED UVC provoque davantage de recombinaison non radiative (défauts).
La différence entre les deux technologies semble être moins prononcée dans la gamme UVB et à des longueurs d'onde plus longues, où le décalage de réseau avec AIN est plus important car des concentrations plus élevées de Ga sont nécessaires. Cet effet semble s'aggraver à une concentration en Al plus élevée, de sorte que les LED UVC à base de saphir ont tendance à perdre de la puissance à des longueurs d'onde inférieures à 280 nm plus rapidement que les LED UVC à base d'AlN.
La croissance pseudomorphique sur des substrats natifs d'AlN produit des couches de défauts atomiquement plates et faibles avec une puissance de crête à 265 nm, ce qui correspond à la fois à l'absorption germicide maximale et réduit également les effets de l'incertitude provoquée par la force d'absorption dépendante du spectre. Ceci est accompli en comprimant le plus grand paramètre de réseau de l'AlGaN intrinsèque pour s'adapter à l'AIN sans introduire de défauts.
Des substrats d'AlN de haute qualité et de grande qualité ont été créés par BENWEI, permettant une absorption interne plus faible et une plus grande efficacité interne. Ces substrats fournissent des LED de meilleure qualité et plus puissantes avec des longueurs d'onde dans la région germicide, qui sont utilisées dans la production de LED et de produits Klaran UVC.
