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Comment fonctionne une LED UVC ?

LED UV-C : Notre guide

Une question fréquemment posée par les entreprises lorsqu’elles explorent les LED UVC pour des applications de désinfection concerne le fonctionnement réel des LED UVC. Dans cet article, nous expliquons le fonctionnement de cette technologie.

Principes généraux des LEDs

Une diode électroluminescente (DEL) est un dispositif à semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu’un courant le traverse. Alors que les semi-conducteurs très purs et sans défaut (appelés semi-conducteurs intrinsèques) conduisent généralement très mal l’électricité, des dopants peuvent être introduits dans le semi-conducteur qui le feront conduire soit par des électrons chargés négativement (semi-conducteur de type n), soit par des trous chargés positivement (semi-conducteur de type p).

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Une LED est constituée d’une jonction p-n où un semi-conducteur de type p est placé sur un semi-conducteur de type n. Lorsqu’une polarisation directe (ou tension) est appliquée, les électrons dans la région de type n sont poussés vers la région de type p et, de même, les trous dans le matériau de type p sont poussés dans la direction opposée (puisqu’ils sont chargés positivement) vers le matériau de type n. À la jonction entre les matériaux de type p et de type n, les électrons et les trous se recombinent et chaque événement de recombinaison produit un quantum d’énergie qui est une propriété intrinsèque du semi-conducteur où la recombinaison a lieu.

Remarque : les électrons sont générés dans la bande de conduction du semi-conducteur et les trous sont générés dans la bande de valence. La différence d’énergie entre la bande de conduction et la bande de valence est appelée énergie de la bande interdite et est déterminée par les caractéristiques de liaison du semi-conducteur.

La recombinaison radiative entraîne la production d’un photon unique de lumière dont l’énergie et la longueur d’onde (les deux sont liées par l’équation de Planck) sont déterminées par la bande interdite du matériau utilisé dans la région active du dispositif. La recombinaison non radiative peut également se produire lorsque le quantum d’énergie libéré par la recombinaison des électrons et des trous produit de la chaleur plutôt que des photons de lumière. Ces événements de recombinaison non radiative (dans les semi-conducteurs à bande interdite directe) impliquent des états électroniques à mi-chemin de la bande interdite causés par des défauts. Comme nous voulons que nos LED émettent de la lumière et non de la chaleur, nous voulons augmenter le pourcentage de recombinaison radiative par rapport à la recombinaison non radiative. Une façon d’y parvenir est d’introduire des couches de confinement des porteurs et des puits quantiques dans la région active de la diode pour essayer d’augmenter la concentration d’électrons et de trous qui subissent une recombinaison dans les bonnes conditions.

Cependant, un autre paramètre clé est la réduction de la concentration des défauts qui provoquent une recombinaison non radiative dans la région active du dispositif. C’est pourquoi la densité des dislocations joue un rôle si important en optoélectronique puisqu’elles constituent une source primaire de centres de recombinaison non radiative. Les dislocations peuvent être causées par de nombreux facteurs mais pour obtenir une faible densité, il faudra presque toujours que les couches de type n et de type p utilisées pour faire croître la région active de la DEL soient cultivées sur un substrat à réseau adapté. Sinon, les dislocations seront introduites comme moyen de s’adapter à la différence de structure du réseau cristallin.

Par conséquent, maximiser l’efficacité des LED signifie augmenter le taux de recombinaison radiative par rapport au taux de recombinaison non radiative en minimisant les densités de dislocations.

LED UVC

Les LED ultraviolettes (UV) ont des applications dans le domaine du traitement de l’eau, du stockage optique des données, des communications, de la détection des agents biologiques et du durcissement des polymères. La région UVC du domaine spectral UV se réfère aux longueurs d’onde comprises entre 100 nm et 280 nm.

Dans le cas de la désinfection par UV-C, la longueur d’onde optimale se situe dans la région de 260 nm à 270 nm, l’efficacité germicide diminuant de manière exponentielle avec les longueurs d’onde plus importantes. Les LED UVC (utilisées dans nos lampes UVC germicide) offrent des avantages considérables par rapport aux lampes au mercure traditionnellement utilisées, notamment le fait qu’elles ne contiennent pas de matières dangereuses, qu’elles peuvent être allumées/éteintes instantanément et sans limitation de cycle, qu’elles consomment moins de chaleur, qu’elles permettent une extraction de chaleur dirigée et qu’elles sont plus durables.

Dans le cas des LED UVC, pour obtenir une émission de courte longueur d’onde (260 nm à 270 nm pour la désinfection), une fraction molaire d’aluminium plus élevée est nécessaire, ce qui rend la croissance et le dopage du matériau difficiles. Traditionnellement, il n’était pas facile de trouver des substrats en vrac adaptés au réseau pour les nitrures III, de sorte que le saphir était le substrat le plus couramment utilisé. Le saphir présente une grande disparité de réseau avec la structure AlGaN à forte teneur en Al des LED UVC, ce qui entraîne une augmentation de la recombinaison non radiative (défauts). 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, tandis que la différence entre les deux technologies semble moins importante dans la gamme des UVB et aux longueurs d’onde plus longues où le décalage de réseau avec l’AlN est plus important parce que des concentrations plus élevées de Ga sont nécessaires.

La croissance pseudomorphe sur les substrats d’AlN natif (c’est-à-dire là où le paramètre de réseau plus important de l’AlGaN intrinsèque est pris en compte en le comprimant élastiquement pour qu’il s’adapte à l’AlN sans introduire de défauts) donne des couches atomiquement plates et à faible défaut, avec une puissance de crête à 265 nm, correspondant à la fois à l’absorption germicide maximale tout en réduisant les effets de l’incertitude due à la force d’absorption dépendant du spectre.

Luxibel a mis au point des substrats d’AlN de haute qualité à réseau de masse apparié qui permettent une efficacité interne plus élevée et une absorption interne plus faible. Ces substrats, utilisés dans la fabrication des LED, permettent d’obtenir des LED de meilleure qualité et plus puissantes à des longueurs d’onde dans la gamme germicide.

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