Хотя ультрафиолетовая энергия составляет всего 5% солнечного света, она широко используется в жизни человека. В настоящее время применение ультрафиолетового света включает отверждение печати, защиту от подделок монет, лечение кожных заболеваний, свет роста растений и повреждение молекулярной структуры микроорганизмов, таких как бактерии и вирусы. Поэтому он широко используется для стерилизации воздуха, очистки воды, стерилизации и дезинфекции твердых поверхностей.
Традиционный источник ультрафиолетового света обычно использует возбужденное состояние разряда паров ртути для генерации ультрафиолетового света, который имеет много дефектов, таких как высокое энергопотребление, большое выделение тепла, короткий срок службы, медленный отклик и потенциальные угрозы безопасности. В новом источнике глубокого ультрафиолетового излучения используется принцип излучения светодиодов (LED), который имеет много преимуществ по сравнению с традиционными ртутными лампами. Наиболее важным преимуществом является то, что он не содержит токсичной ртути. С осуществлением Минаматской конвенции это указывает на то, что использование ртутьсодержащих ультрафиолетовых ламп будет полностью запрещено в 2020 году. Поэтому разработка нового экологически чистого и эффективного источника ультрафиолетового света стала важной задачей, стоящей перед людьми. ,
Глубокие ультрафиолетовые светодиоды (DUV-светодиоды) на основе широкозонных полупроводниковых материалов (GaN, AlGaN) стали единственным выбором для этого нового применения. Эта полностью твердотельная система источника света имеет небольшие размеры, высокую эффективность и долгий срок службы. Просто чип размером с крышку большого пальца, он может излучать ультрафиолетовый свет, который сильнее, чем ртутная лампа. Тайна этого в основном зависит от прямого полупроводникового материала запрещенной зоны нитридов III группы: электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне рекомбинируют, тем самым генерируя фотоны. Энергия фотона зависит от ширины запрещенной зоны материала. Ученые могут точно реализовать излучение с различными длинами волн, регулируя состав элементов в тройном соединении, таком как AlGaN. Однако не всегда легко добиться высокоэффективного свечения ультрафиолетовых светодиодов. Исследователи обнаружили, что при рекомбинации электронов и дырок фотоны не всегда генерируются. Эта эффективность называется внутренней квантовой эффективностью (IQE).
Исследовательская группа Sun Haiding и Long Shibing из Школы микроэлектроники Китайского университета науки и технологии, а также Го Вэй и Е. Цзичунь из Института материалов Нинбо Китайской академии наук обнаружили, что для повышения IQE Значение ультрафиолетовых светодиодов, подложка которых может быть выращена с помощью материалов AlGaN-сапфир Al2O3, контролируется углом наклона. Исследователи обнаружили, что при увеличении угла наклона подложки дислокации внутри ультрафиолетового светодиода значительно подавляются, а сила света устройства значительно улучшается. Когда скошенная подложка достигает 4 градусов, интенсивность спектра флуоресценции устройства увеличивается на порядок, и внутренняя квантовая эффективность достигла рекордных 90%.
В отличие от традиционной структуры УФ-светодиодов толщина потенциальной ямы и барьера в многослойной квантовой яме (MQW) не является равномерной в светоизлучающем слое внутри этой новой структуры. С помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения исследователи смогли проанализировать структуры с квантовыми ямами в микроскопическом масштабе всего за несколько нанометров. Исследования показывают, что на шаге подложки атомы галлия (Ga) будут агрегировать, что приводит к локальному сужению энергетической зоны, и по мере роста пленки области, обогащенные Ga и Al, будут распространяться на DUV-светодиоды. Поверхность, а также скручены и изогнуты в трехмерном пространстве, образуя трехмерную структуру многоквантовой ямы.
Исследователи называют это особым явлением: фазовое разделение элементов Al и Ga и локализация носителей. Следует отметить, что в синей светодиодной системе на основе InGaN In не смешивается на 100% с Ga, что приводит к образованию In и областей, обогащенных Ga, в материале, что приводит к локальным состояниям и способствует загрузке. Радиационная рекомбинация носителей. Однако в материальных системах AlGaN фазовое разделение Al и Ga наблюдается редко. Одним из важных значений этой работы является то, что режим роста материала искусственно регулируется, чтобы способствовать разделению фаз и, таким образом, значительно улучшить светоизлучающие характеристики устройства.
Оптимизируя регулировку эпитаксиального роста на наклонной подложке с 4 степенями, исследователи исследовали оптимальную структуру светодиодов DUV. Время жизни несущей этой структуры превышает 1,60 нс, что обычно меньше 1 нс в традиционных устройствах. Продолжая тестировать световую мощность чипа, исследователи обнаружили, что его ультрафиолетовая световая мощность была более чем в два раза выше, чем у традиционных устройств на основе субстрата со скошенной кромкой 0,2 градуса. Это является более убедительным доказательством того, что материалы AlGaN могут обеспечить эффективное разделение фаз и локализацию носителей. Кроме того, экспериментаторы также моделировали явление разделения фаз внутри множественных квантовых ям AlGaN и влияние неравномерности потенциальной ямы и толщины барьера на силу света и длину волны с помощью теоретических расчетов. Теоретические расчеты хорошо согласуются с экспериментами.
Результаты исследования были совместно подготовлены профессорами Дай Цзяннаном и Ченом Чанцином из Университета науки и технологии Хуажонг, профессором Чжан Цзыхуэем из Технологического университета Хэбэя, а также профессором Бун Уи и профессором Иманом Рочаном из Университета науки и техники короля Абдаллы. Исследователи полагают, что это исследование даст новые идеи для разработки высокоэффективных твердотельных источников ультрафиолетового света. Эта идея не требует дорогих узорчатых субстратов или сложных процессов эпитаксиального роста. И, полагаясь только на регулировку угла скоса подложки, а также на согласование и оптимизацию параметров эпитаксиального роста, ожидается, что световые характеристики ультрафиолетовых светодиодов будут улучшены до уровня, сравнимого с таковым у синих светодиодов. для крупномасштабных применений мощных глубинных ультрафиолетовых светодиодов и теоретических основ. Соответствующие результаты озаглавлены «Однозначно усиленная ультрафиолетовая люминесценция волнистых структур квантовых ям AlGaN, выращенных на большом разориентированном сапфировом субстрате» и опубликованы на сайте Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002 / adfm. 201905445).