Въпреки че ултравиолетовата енергия представлява само 5% от слънчевата светлина, тя се използва широко в живота на човека. Понастоящем приложенията с UV светлина включват втвърдяване с печат, анти-фалшифициране на монети, лечение на кожни заболявания, светлина за растеж на растенията и увреждане на молекулната структура на микроорганизми като бактерии и вируси. Поради това той се използва широко при стерилизация на въздух, пречистване на вода и твърда повърхностна стерилизация и дезинфекция.
Традиционният източник на ултравиолетова светлина обикновено използва възбуденото състояние на изхвърляне на живачни пари, за да генерира ултравиолетова светлина, която има много дефекти като висока консумация на енергия, голямо генериране на топлина, кратък живот, бавна реакция и потенциални опасности за безопасността. Новият източник на дълбока ултравиолетова светлина използва принципа на излъчване на светлина (LED), който има много предимства пред традиционните живачни лампи. Най-важното предимство е, че не съдържа токсичен живак. С прилагането на Конвенцията на Минамата се посочва, че използването на живак, съдържащи живак, ултравиолетови лампи ще бъде напълно забранено през 2020 г. Следователно как да се разработи нов екологично чист и ефективен ултравиолетов източник на светлина се превърна във важно предизвикателство пред хората. ,
Дълбоките ултравиолетови светодиоди (DUV LED), базирани на полупроводникови материали с широка лента (GaN, AlGaN), се превърнаха в единствения избор за това ново приложение. Тази система за източник на светлина в твърдо състояние е с малки размери, висока ефективност и дълъг живот. Само чип с големина на капака на палеца, той може да излъчва ултравиолетова светлина, която е по-силна от живачна лампа. Мистерията на това зависи главно от полупроводниковия материал с директна лента от нитриди от група III: електроните в проводната лента и дупките във валентната лента се рекомбинират, като по този начин се генерират фотони. Енергията на фотона зависи от забранената ширина на лентата на материала. Учените могат точно да реализират излъчването на различни дължини на вълната, като коригират състава на елементите в тройното съединение, като AlGaN. Въпреки това, не винаги е лесно да се постигне високоефективна светлинна емисия на UV светодиоди. Изследователите са открили, че когато електроните и дупките се рекомбинират, фотоните не винаги се генерират. Тази ефективност се нарича вътрешна квантова ефективност (IQE).
Изследователската група „Sun Haiding and Long Shibing“ на училището по микроелектроника, Университета за наука и технологии в Китай и Guo Wei и Ye Jichun от Института за материали на Нингбо на Китайската академия на науките откриха, че за да се увеличи IQE стойността на UV светодиодите, субстрат, който може да се отглежда чрез AlGaN материали-сапфир Al2O3 се контролира от ъгъла на наклона. Изследователите откриха, че когато ъгълът на наклона на субстрата се увеличава, дислокациите вътре в UV светодиода се потискат значително и силата на светлината на устройството се подобрява значително. Когато скосеният субстрат достигне 4 градуса, интензивността на флуоресцентния спектър на устройството се увеличава с порядък и вътрешната квантова ефективност достига рекордните 90%.
Различна от традиционната UV LED структура, дебелината на потенциалния кладенец и бариерата в многослойния квантов кладенец (MQW) не е равномерна в излъчващия светлина слой в тази нова структура. С помощта на предавателна електронна микроскопия с висока разделителна способност изследователите успяха да анализират квантови структури от ямки само на няколко нанометра в микроскопична скала. Проучванията показват, че при стъпката на субстрата атомите на галий (Ga) ще се агрегират, което води до стесняване на локализираната енергийна лента и докато филмът расте, областите, богати на Ga- и Al, ще се разширят до DUV светодиоди. Повърхност и усукана и огъната в триизмерно пространство, образувайки триизмерна многоквантова структура на кладенеца.
Изследователите наричат това специално явление: фазовото разделяне на Al и Ga елементите и локализацията на носителите. Заслужава да се отбележи, че в базираната на InGaN синя светодиодна система In не се смесва 100% с Ga, което води до богати на In и Ga региони в материала, което води до локални състояния и насърчава зареждане. Радиативна рекомбинация на носители. В материалните системи на AlGaN обаче се наблюдава рядко разделяне на фазите на Al и Ga. Едно от важното значение на тази работа е, че режимът на растеж на материала е изкуствено настроен, за да насърчи разделянето на фазите и по този начин значително да подобри светлинно-излъчващите характеристики на устройството.
Чрез оптимизиране на корекцията на епитаксиалния растеж върху 4-градусова скосена подложка, изследователите изследват оптимална DUV LED структура. Носителният живот на тази структура надвишава 1,60 ns, което обикновено е по-ниско от 1ns в традиционните устройства. Допълнително тествайки светлинната сила на чипа, изследователите откриха, че неговата ултравиолетова светлинна сила е повече от два пъти по-голяма от тази на традиционните устройства, базирани на 0.2-градусов скосен субстрат. Това е по-сигурно доказателство, че материалите на AlGaN могат да постигнат ефективно разделяне на фазата и локализация на носителите. В допълнение, експерименталистите също симулират феномена на разделяне на фазите във вътрешността на множество квантови ямки на AlGaN и ефектите от неравномерността на потенциалната ямка и дебелината на бариерата върху светещата интензивност и дължина на вълната чрез теоретични изчисления. Теоретичните изчисления са в добро съгласие с експериментите.
Резултатите от изследванията бяха съвместно завършени от професорите Дай Джанян и Чен Чанцин от Университета за наука и технологии в Хуаджонг, проф. Джан Джихуи от Техническия университет в Хебей и професор Бун Ой и професор Иман Рокан от Университета за наука и технологии на Крал Абдула. Изследователите вярват, че това изследване ще предостави нови идеи за разработването на високоефективни източници на UV-светлина в твърдо състояние. Тази идея не изисква скъпи шарени субстрати или сложни процеси на епитаксиален растеж. И само разчитайки на регулирането на ъгъла на наклона на основата и съпоставянето и оптимизирането на параметрите на епитаксиалния растеж, се очаква светлинните характеристики на UV светодиодите да бъдат подобрени до ниво, сравнимо с това на сините светодиоди, поставяне на тест за широкомащабни приложения на високомощни дълбоки UV светодиоди и теоретична основа. Свързаните резултати са озаглавени „Недвусмислено подобрена ултравиолетова луминесценция на AlGaN вълнообразни квантови квантови структури, израснали на голям дезориентиран сапфиров субстрат“ и публикувани онлайн в разширени функционални материали (DOI: 10.1002 / adfm. 201905445).