Geavanceerde faciliteiten Efficiënte productieHoewel ultraviolette energie slechts 5% van het zonlicht uitmaakt, wordt het veel gebruikt in het menselijk leven. Op dit moment omvatten UV-lichttoepassingen drukuitharding, anti-namaak van munten, behandeling van huidziekten, plantengroei-licht en schade aan de moleculaire structuur van micro-organismen zoals bacteriën en virussen. Daarom wordt het veel gebruikt bij luchtsterilisatie, waterzuivering en sterilisatie en desinfectie van vaste oppervlakken.
De traditionele ultraviolette lichtbron gebruikt over het algemeen de geëxciteerde toestand van kwikdampontlading om ultraviolet licht te genereren, dat veel defecten heeft, zoals hoog stroomverbruik, grote warmteontwikkeling, korte levensduur, langzame reactie en potentiële veiligheidsrisico's. De nieuwe diepe ultraviolette lichtbron maakt gebruik van het light emitting diode (LED) lichtemitterende principe, dat veel voordelen heeft ten opzichte van traditionele kwiklampen. Het belangrijkste voordeel is dat het geen giftig kwik bevat. Met de implementatie van het Minamata-verdrag geeft dit aan dat het gebruik van kwikhoudende ultraviolette lampen in 2020 volledig zal worden verboden. Daarom is het ontwikkelen van een nieuwe milieuvriendelijke en efficiënte ultraviolette lichtbron een belangrijke uitdaging geworden voor mensen. .
Diepe ultraviolette LED's (DUV LED's) op basis van wide band gap halfgeleidermaterialen (GaN, AlGaN) zijn de enige keuze geworden voor deze nieuwe toepassing. Dit volledig solid-state lichtbronsysteem is klein van formaat, hoog in efficiëntie en heeft een lange levensduur. Het is slechts een chip ter grootte van een duimkap en kan ultraviolet licht uitzenden dat sterker is dan een kwiklamp. Het mysterie hiervan hangt vooral af van het directe bandgap-halfgeleidermateriaal van groep III-nitriden: de elektronen in de geleidingsband en de gaten in de valentieband recombineren, waardoor fotonen worden gegenereerd. De energie van het foton hangt af van de verboden bandbreedte van het materiaal. Wetenschappers kunnen de emissie van verschillende golflengten precies realiseren door de elementensamenstelling in de ternaire verbinding zoals AlGaN aan te passen. Het is echter niet altijd eenvoudig om een zeer efficiënte lichtemissie van UV-LED's te bereiken. Onderzoekers hebben ontdekt dat wanneer elektronen en gaten zich combineren, niet altijd fotonen worden gegenereerd. Deze efficiëntie wordt interne kwantumefficiëntie (IQE) genoemd.
De onderzoeksgroep van Sun Haiding en Long Shibing van de School of Microelectronics, University of Science and Technology of China, en Guo Wei en Ye Jichun van het Ningbo Institute of Materials van de Chinese Academy of Sciences hebben ontdekt dat om de IQE te verhogen waarde van UV-LED's, een substraat dat kan worden gekweekt door AlGaN-materialen - saffier Al2O3 wordt geregeld door de afschuinhoek. De onderzoekers ontdekten dat wanneer de afschuinhoek van het substraat wordt verhoogd, de dislocaties in de UV-LED aanzienlijk worden onderdrukt en de lichtintensiteit van het apparaat aanzienlijk wordt verbeterd. Wanneer het afgeschuinde substraat 4 graden bereikt, wordt de intensiteit van het fluorescentiespectrum van het apparaat met een orde van grootte verhoogd en heeft de interne kwantumefficiëntie een recordbrekende 90% bereikt.
Anders dan de traditionele UV LED-structuur, is de dikte van de potentiële put en barrière in de meerlagige kwantumput (MQW) niet uniform in de lichtemitterende laag in deze nieuwe structuur. Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie konden onderzoekers kwantumputstructuren analyseren op slechts enkele nanometers op microscopische schaal. Studies tonen aan dat bij de substraatstap gallium (Ga) -atomen aggregeren, wat resulteert in een vernauwing van de gelokaliseerde energieband, en naarmate de film groeit, zullen Ga- en Al-rijke gebieden zich uitbreiden tot DUV-LED's. Oppervlak, en gedraaid en gebogen in driedimensionale ruimte, waardoor een driedimensionale multi-kwantumputstructuur wordt gevormd.
Onderzoekers noemen dit speciale fenomeen: de fasescheiding van Al- en Ga-elementen en de lokalisatie van dragers. Het is de moeite waard erop te wijzen dat In het op InGaN gebaseerde blauwe LED-systeem, In niet 100% mengbaar is met Ga, wat resulteert in In- en Ga-rijke regio's in het materiaal, wat resulteert in lokale staten en bevorderd laden. Radiatieve recombinatie van dragers. In AlGaN-materiaalsystemen wordt fasescheiding van Al en Ga echter zelden gezien. Een van de belangrijke betekenis van dit werk is dat de groeimodus van het materiaal kunstmatig wordt aangepast om fasescheiding te bevorderen, en dus de lichtemitterende eigenschappen van het apparaat sterk te verbeteren.
Door de aanpassing van de epitaxiale groei op een bevelsubstraat van 4 graden te optimaliseren, verkenden de onderzoekers een optimale DUV LED-structuur. De carrierlevensduur van deze structuur is langer dan 1,60 ns, wat in het algemeen lager is dan 1ns in traditionele apparaten. Na verder onderzoek van het lichtvermogen van de chip, ontdekten de onderzoekers dat het ultraviolette lichtvermogen meer dan het dubbele was van dat van traditionele apparaten op basis van een schuine ondergrond van 0,2 graden. Dit is meer zeker bewijs dat AlGaN-materialen effectieve fasescheiding en dragerlokalisatie kunnen bereiken. Bovendien simuleerden de experimentalisten ook het fasescheidingsfenomeen in de AlGaN meerdere kwantumputten en de effecten van de ongelijkheid van de potentiële put en barrièredikte op de lichtsterkte en golflengte door theoretische berekeningen. De theoretische berekeningen komen goed overeen met de experimenten.
De onderzoeksresultaten werden gezamenlijk voltooid door professoren Dai Jiangnan en Chen Changqing van Huazhong University of Science and Technology, Professor Zhang Zihui van Hebei University of Technology, en Professor Boon Ooi en Professor Iman Roqan van King Abdullah University of Science and Technology. Onderzoekers zijn van mening dat dit onderzoek nieuwe ideeën zal opleveren voor de ontwikkeling van zeer efficiënte UV-lichtbronnen in alle vaste stoffen. Dit idee vereist geen dure patroonsubstraten of gecompliceerde epitaxiale groeiprocessen. En alleen op basis van de aanpassing van de schuine hoek van het substraat en de aanpassing en optimalisatie van de epitaxiale groeiparameters, wordt verwacht dat de lichteigenschappen van UV-LED's zullen worden verbeterd tot een niveau dat vergelijkbaar is met dat van blauwe LED's, waarbij een test wordt uitgevoerd voor grootschalige toepassingen van high-power diepe UV-LED's en theoretische basis. De gerelateerde resultaten zijn getiteld "Unambiguously Enhanced Ultraviolet Luminescence of AlGaN Wavy Quantum Well Structures Grown on Large Misoriented Sapphire Substrate" en online gepubliceerd op Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002 / adfm. 201905445).