Även om ultraviolett energi endast står för 5% av solljus, används den ofta i mänskligt liv. För närvarande inkluderar UV-ljusapplikationer tryckhärdning, antiförfalskning av mynt, behandling av hudsjukdomar, växtljus och skador på molekylstrukturen hos mikroorganismer såsom bakterier och virus. Därför används den i stor utsträckning vid luftsterilisering, vattenrening och fast ytsterilisering och desinfektion.
Den traditionella ultravioletta ljuskällan använder i allmänhet det upphetsade tillståndet för kvicksilverångautladdning för att generera ultraviolett ljus, som har många defekter såsom hög energiförbrukning, stor värmeproduktion, kort livslängd, långsam respons och potentiella säkerhetsrisker. Den nya djupa ultravioletta ljuskällan använder den lysemitterande dioden (LED) ljusemitterande princip, som har många fördelar jämfört med traditionella kvicksilverlampor. Den viktigaste fördelen är att det inte innehåller giftigt kvicksilver. Med genomförandet av Minamata-konventionen indikerar det att användningen av kvicksilverinnehållande ultravioletta lampor kommer att förbjudas helt 2020. Därför har hur man utvecklar en ny miljövänlig och effektiv ultraviolett ljuskälla blivit en viktig utmaning för människor. .
Djupa ultravioletta lysdioder (DUV-lysdioder) baserade på brett bandgaveledande material (GaN, AlGaN) har blivit det enda valet för denna nya applikation. Detta all-solid-state-ljuskällsystem är liten i storlek, hög effektivitet och lång livslängd. Bara ett chip som är på tumskyddet, det kan avge ultraviolett ljus som är starkare än en kvicksilverlampa. Mysteriet med detta beror huvudsakligen på det direkta bandgapet halvledarmaterialet i grupp III nitrider: elektronerna i ledningsbandet och hålen i valensbandet rekombinerar, vilket genererar fotoner. Fotonens energi beror på materialets förbjudna bandbredd. Forskare kan exakt inse utsläppet av olika våglängder genom att justera elementkompositionen i den ternära föreningen som AlGaN. Det är dock inte alltid lätt att uppnå högeffektiv ljusutsläpp av UV-lysdioder. Forskare har upptäckt att när elektroner och hål rekombineras, fotoner inte alltid genereras. Denna effektivitet kallas intern kvanteffektivitet (IQE).
Forskningsgruppen för Sun Haiding och Long Shibing från School of Microelectronics, University of Science and Technology of China och Guo Wei och Ye Jichun från Ningbo Institute of Materials i den kinesiska vetenskapsakademin har upptäckt att för att öka IQE värdet på UV-lysdioder, ett underlag som kan odlas genom AlGaN-material-safir Al2O3 styrs av avfasningsvinkeln. Forskarna fann att när underlagets vinkel ökar, förskjuts förskjutningarna i UV-LED signifikant och enhetens ljusintensitet förbättras avsevärt. När det avfasade substratet når 4 grader, ökas intensiteten för fluorescensspektret för anordningen med en storleksordning och den interna kvanteffektiviteten har nått en rekordbrytande 90%.
Till skillnad från den traditionella UV-LED-strukturen, är tjockleken på den potentiella brunnen och barriären i flerskiktskvantbrunnen (MQW) inte enhetlig i det ljusemitterande skiktet i denna nya struktur. Med hjälp av högupplösta transmissionselektronmikroskopi kunde forskare analysera kvantbrunnsstrukturer på bara några nanometer på mikroskopisk skala. Studier visar att vid substratsteget samlas galliumatomer (Ga) -atomer, vilket resulterar i ett lokaliserat energibandsminskning, och när filmen växer kommer Ga- och Al-rika regioner att utvidgas till DUV-lysdioder. Yta, och vriden och böjd i tredimensionellt rymd, och bildar en tredimensionell multikvantumbrunnsstruktur.
Forskare kallar detta speciella fenomen: fasseparation av Al- och Ga-element och lokalisering av bärare. Det är värt att påpeka att i det InGaN-baserade blåa LED-systemet är In inte 100% blandbart med Ga, vilket resulterar i In- och Ga-rika regioner i materialet, vilket resulterar i lokala tillstånd och främjade belastning. Radiativ rekombination av bärare. I AlGaN-materialsystem ser man emellertid sällan fasseparation av Al och Ga. En av de viktiga betydelserna med detta arbete är att tillväxtläget för materialet är konstgjordt justerat för att främja fasseparation och därmed förbättra anordningens ljusemitterande egenskaper.
Genom att optimera den epitaxiella tillväxtjusteringen på ett 4-graders fasunderlag undersökte forskarna en optimal DUV LED-struktur. Bärarnas livslängd överstiger 1,60 ns, vilket i allmänhet är lägre än 1ns i traditionella anordningar. Vidare testade chipets ljusstyrka, fann forskarna att dess ultravioletta ljuskraft var mer än dubbelt så mycket som för traditionella enheter baserade på ett 0,2-graders snittunderlag. Detta är mer säkert bevis på att AlGaN-material kan uppnå effektiv fasseparation och bärarlokalisering. Dessutom simulerade experimenterna också fasseparationsfenomenet i multipla AlGaN-kvantbrunnar och effekterna av ojämnheten hos den potentiella brunnen och barriärtjockleken på ljusintensiteten och våglängden genom teoretiska beräkningar. De teoretiska beräkningarna är i god överensstämmelse med experimenten.
Forskningsresultaten avslutades gemensamt av professorerna Dai Jiangnan och Chen Changqing från Huazhong University of Science and Technology, professor Zhang Zihui vid Hebei University of Technology och professor Boon Ooi och professor Iman Roqan vid King Abdullah University of Science and Technology. Forskare tror att denna forskning kommer att ge nya idéer för utveckling av högeffektiva UV-ljuskällor i fast form. Denna idé kräver inte dyra mönstrade underlag eller komplicerade epitaxiella tillväxtprocesser. Och bara förlita sig på justeringen av underlagets vinkel på underlaget och matchningen och optimeringen av de epitaxiala tillväxtparametrarna, förväntas det att de lysande egenskaperna hos UV-lysdioder kommer att förbättras till en nivå som är jämförbar med den för blå lysdioder, lägger ett test för storskaliga applikationer av djup UV-lysdioder med hög effekt och teoretisk grund. De relaterade resultaten heter "Unambiguously Enhanced Ultraviolet Luminescence of AlGaN Wavy Quantum Well Structures Grown on Large Misoriented Sapphire Substrate" och publiceras online på Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002 / adfm. 201905445).