Noha az ultraibolya energia a napfény mindössze 5% -át teszi ki, széles körben használják az emberi életben. Jelenleg az ultraibolya fény alkalmazások magukban foglalják a nyomtatás során történő gyógyítást, érmehamisítás elleni küzdelmet, a bőrbetegségek kezelését, a növény növekedésének fényét és a mikroorganizmusok, például baktériumok és vírusok molekuláris szerkezetének károsodását. Ezért széles körben használják a levegő sterilizálásában, a víz tisztításában, valamint a szilárd felület sterilizálásában és fertőtlenítésében.
A hagyományos ultraibolya fényforrás általában a higanygőz kisülésének gerjesztett állapotát használja az ultraibolya fény generálására, amelynek számos hibája van, például nagy energiafogyasztás, nagy hőtermelés, rövid élettartam, lassú válasz és potenciális biztonsági veszélyek. Az új mély ultraibolya fényforrás a fénykibocsátó dióda (LED) fénykibocsátási elvét használja, amelynek számos előnye van a hagyományos higanylámpákkal szemben. A legfontosabb előnye az, hogy nem tartalmaz mérgező higanyt. A Minamata-egyezmény végrehajtásával azt jelzi, hogy 2020-ban teljes mértékben betiltják a higanytartalmú ultraibolya lámpák használatát. Ezért az új, környezetbarát és hatékony ultraibolya fényforrás kifejlesztésének módja fontos kihívássá vált az emberek előtt. .
A széles sávú résű félvezető anyagokon alapuló mély ultraibolya LED-ek (DUV LED-ek) (GaN, AlGaN) az egyetlen új alkalmazás. Ez a teljes szilárdtestű fényforrás-rendszer kicsi, nagy hatékonyságú és hosszú élettartamú. Csak egy hüvelykujj méretű chipekkel ultraibolya fényt bocsáthat ki, amely erősebb, mint a higanylámpák. Ennek rejtélye elsősorban a III. Csoport nitridjeinek közvetlen sávszélességű félvezető anyagától függ: a vezetőképesség-sávban lévő elektronok és a valencia-sávban lévő lyukak rekombinálódnak, ezáltal fotonokat generálva. A foton energiája az anyag tiltott sávszélességétől függ. A tudósok pontosan meg tudják valósítani a különböző hullámhosszok kibocsátását azáltal, hogy beállítják az elegy összetételét a háromoldalú vegyületben, például az AlGaN-ban. Az UV LED-ek nagy hatékonyságú fénykibocsátása azonban nem mindig könnyű. A kutatók felfedezték, hogy amikor az elektronok és a lyukak rekombinálódnak, a fotonok nem mindig keletkeznek. Ezt a hatékonyságot belső kvantumhatékonyságnak (IQE) nevezzük.
A Kínai Tudományos és Technológiai Egyetem Mikroelektronikai Iskolájának Sun Haiding és Long Shibing kutatócsoportja, valamint Guo Wei és Ye Jichun a Kínai Tudományos Akadémia Ningbo Anyagok Intézetéből felfedezték, hogy az IQE növelése érdekében Az AlGaN anyagokon keresztül termeszthető szubsztrát UV-LED-ek értékét - zafír Al2O3-t a ferde szög szabályozza. A kutatók azt találták, hogy amikor a szubsztrátum ferde szöge megnő, az UV LED-ben belüli eltolódások jelentősen elnyomódnak, és az eszköz fényerőssége jelentősen javul. Amikor a lemetszett hordozó eléri a 4 fokot, az eszköz fluoreszcens spektrumának intenzitása nagyságrenddel növekszik, és a belső kvantumhatékonyság rekordszintű 90% -ot ért el.
A hagyományos UV LED-struktúrától eltérően a potenciálkút és a gát vastagsága a többrétegű kvantumhelyen (MQW) nem egységes a fénykibocsátó rétegben az új szerkezet belsejében. A nagy felbontású transzmissziós elektronmikroszkópia segítségével a kutatók mindössze néhány nanométer távolságra képesek voltak kvantum-kút szerkezetek elemzésére mikroszkopikus skálán. A tanulmányok azt mutatják, hogy a szubsztrát lépésben a gallium (Ga) atomok aggregálódnak, ami a lokalizált energiatartomány csökkenését eredményezi, és a film növekedésével a Ga- és Al-gazdag régiók kiterjednek a DUV LED-ekre. Felszíni, csavart és hajlított háromdimenziós térben, háromdimenziós multi-kvantum kút szerkezetet képezve.
A kutatók ezt a különleges jelenséget nevezik: az Al és Ga elemek fázisszétválasztását és a hordozók lokalizációját. Érdemes megemlíteni, hogy az InGaN-alapú kék LED-rendszerben az In nem teljesen elegyedik a Ga-val, így az anyagban In- és Ga-gazdag régiók keletkeznek, ami helyi állapotokat eredményez és elősegíti a terhelést. Hordozók sugárzó rekombinációja. Az AlGaN anyagrendszerekben azonban az Al és Ga fázisszétválasztása ritkán fordul elő. Ennek a munkának az egyik fontos jelentősége, hogy az anyag növekedési módját mesterségesen beállítják a fázisszétválasztás elősegítésére, és ezáltal nagymértékben javítják az eszköz fénykibocsátó tulajdonságait.
Az epitaxiális növekedés beállításának optimalizálásával egy négyfokozatú ferde hordozón a kutatók feltárták az optimális DUV LED-szerkezetet. Ennek a szerkezetnek a hordozó élettartama meghaladja az 1,60 ns-t, amely általában kevesebb, mint 1 ns a hagyományos eszközöknél. A chip fényerősségének további vizsgálatánál a kutatók megállapították, hogy az ultraibolya fényereje több mint kétszerese a hagyományos eszközöknek, amelyek 0,2 fokos ferde hordozóra épülnek. Ez sokkal bizonyosabb bizonyíték arra, hogy az AlGaN anyagok hatékony fázisszétválasztást és hordozó lokalizációt érhetnek el. Ezenkívül a kísérleti szakemberek elméleti számítások segítségével szimulálták az AlGaN több kvantumüregben lévő fázisszétválasztási jelenséget, valamint a potenciális kút és a gát vastagságának egyenetlenségének a fényintenzitásra és hullámhosszra gyakorolt hatását. Az elméleti számítások összhangban állnak a kísérletekkel.
A kutatási eredményeket Dai Jiangnan és Chen Changqing, a Huazhong Tudományos és Technológiai Egyetem professzora, Zhang Zihui professzor a Hebei Műszaki Egyetemen, valamint Boon Ooi professzor és Iman Roqan professzor készítette az Abdullah Királyi Tudományos és Technológiai Egyetemen. A kutatók úgy vélik, hogy ez a kutatás új ötleteket fog nyújtani a rendkívül hatékony, teljes szilárdtestű UV-fényforrások fejlesztésére. Ez az ötlet nem igényel drága mintázott szubsztrátumokat vagy bonyolult epitaxiális növekedési folyamatokat. És csak a szubsztrátum ferde szögének beállítására, valamint az epitaxiális növekedési paraméterek egyeztetésére és optimalizálására támaszkodva várható, hogy az UV LED-ek világító tulajdonságai a kék LED-ekkel összehasonlítható szintre javuljanak, és tesztet tegyenek. nagy teljesítményű mély UV-LED-ek széles körű alkalmazásához és elméleti alapon. A kapcsolódó eredményeket "Az AlGaN hullámos kvantum kút struktúráinak egyértelműen továbbfejlesztett ultraibolya fényének megvilágítása nagy téves orientációjú zafír hordozóra termesztik", és online közzétették az Advanced Functional Materials weboldalon (DOI: 10.1002 / adfm. 201905445).