UVC LEDはどうして色の光を出すことができますか？

发布时间：2021-09-09 11:30 来源：萤光创新

UVC LEDはどうして色の光を出すことができますか？深い紫外線は色がないことはよく知られていますが、多くの人がUVC LEDの製品を使う時、弱い紫外線、弱い青色光または白い光を発見します。これは一体どういうことですか？

紫外LEDは波長に応じて、通常4種類に分けることができます。UVA LED（320 nm-400 nm）、UVB LED（280 nm-320 nm）、UVC LED（200 nm-280 nm）、VUV LED（10 nm-200 nm）。UVCは不可視光源に属していますが、非常に強い殺菌能力を持っています。細菌やウイルスの脱酸素核酸（Deoxyribonucleic Acid、DNA）や核酸（Ribonucleic Acid、RNA）を破壊し、成長性細胞が死亡し、再生性細胞が死亡するため、殺菌消毒の効果があります。最近2年の新冠の疫病が発生した背景には、多くの企業がUVCの殺菌潜在力を発見し、各種の殺菌用品を作りました。日常のウィルス、細菌の消毒防護にも利用されています。製品によって光の強さや弱さが違います。

実は発光の現象も正常で、以下では具体的にUVCの動作原理を調べてみます。よく見られるUVC LEDチップ構造は図に示すように、主にエピ層と基板に分けられます。外延層は、P型層、アクティブエリア、N型層、バッファ層、電極に分けられます。

図1 UVC LEDチップの典型的な構成

しかし、UVC LEDの発光波長に本当に影響するのは、三族窒化物半導体材料のバンドギャップである。窒化ガリウム（GaN）、窒化アルミニウム（AlN）、窒化インジウム（InN）は、直接バンドギャップ半導体材料である。その合金成分を調整することで200 nm-400 nmの紫外帯発光スペクトルが実現できるので，現在は紫外LEDを作製する理想的な半導体材料は依然として三族窒化物である。

図二三族窒化物半導体のバンド幅

波長275 nmのUVC LEDの発光材料はAlxGa 1-xNの三元混晶であり、Al成分は47%に達しているが、高Al成分の窒化物半導体エピ技術はまだ未熟で、基板とAlGaNの格子不整合問題、Al成分エピ過程における低移動度問題と量子井戸におけるAl成分障壁領域の正孔と電子複合効率の低い問題が存在する。同時に，正孔注入層におけるp型Mgドープイオン化エネルギーが高すぎると，有効正孔密度が不十分になる。以上のいくつかの問題は、チップ量子効率の低下だけでなく、チップエレクトロルミネッセンススペクトルに可視光帯の寄生スペクトルピークが現れ、すなわちUVC LEDデバイスを点灯した後に弱い紫外光が見られるという問題を引き起こす。

下の図3に示すように、チップの主波長は275 nmであるが、主峰の両側には高い低い寄生スペクトルピークが存在する。

図3 UVC LEDチップの絶対スペクトル図

計算によりチップの光出力は2.835 mWであるが，波長においてはλ＞380 nmの可視領域はまだ0.244 mWの光パワーがあり、全体の光出力の4.37%を占めているため、このチップを使って作られたUVC LED製品は使用時に微弱な光を見ることができる。チップは作製中のドーピングの欠陥の程度が異なるために寄生スペクトルピークの光パワーも一致しないので，異なるビーズ間の可視紫光輝度にも差がある。

これらのスペクトルを通して，LEDがなぜ色付き光を発するかを説明でき，これはビーズ発光の可視光とデバイス品質に関係なく，現在のチップ製造プロセスの制約である。また、UVC LEDの95%以上の光出力は275 nm付近のバンドで放射されており、デバイスの殺菌消毒効果は影響を受けていません。

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原文は公衆番号に転載します。