첨단 시설 효율적인 생산자외선 에너지는 햇빛의 5 %만을 차지하지만 인간의 삶에서 널리 사용됩니다. 현재, UV 광 응용은 인쇄 경화, 코인 위조 방지, 피부병 치료, 식물 성장 광, 및 박테리아 및 바이러스와 같은 미생물의 분자 구조 손상을 포함한다. 따라서 공기 살균, 정수, 고체 표면 살균 및 소독에 널리 사용됩니다.
종래의 자외선 광원은 일반적으로 여기 된 수은 증기 방출 상태를 이용하여 자외선을 발생 시키며, 이는 높은 전력 소비, 큰 발열, 짧은 수명, 느린 응답 및 잠재적 인 안전 위험과 같은 많은 결함을 갖는다. 새로운 심 자외선 광원은 기존의 수은 램프에 비해 많은 장점을 갖는 발광 다이오드 (LED) 발광 원리를 사용합니다. 가장 중요한 장점은 독성 수은이 포함되어 있지 않다는 것입니다. 미나마타 협약이 시행됨에 따라 2020 년에는 수은 함유 자외선 램프의 사용이 완전히 금지 될 것입니다. 따라서 새로운 환경 친화적이고 효율적인 자외선 광원을 개발하는 방법은 사람들이 직면 한 중요한 과제가되었습니다. .
광대역 갭 반도체 재료 (GaN, AlGaN)를 기반으로하는 딥 자외 LED (DUV LED)는이 새로운 응용 분야에서 유일한 선택이되었습니다. 이 전 고체 광원 시스템은 크기가 작고 효율이 높으며 수명이 길다. 엄지 덮개 크기의 칩으로 수은 램프보다 강한 자외선을 방출 할 수 있습니다. 이것의 수수께끼는 주로 III 족 질화물의 직접 밴드 갭 반도체 물질에 의존한다 : 전도 밴드의 전자와 원자가 밴드 재결합의 홀에 의해 광자가 생성된다. 광자의 에너지는 재료의 금지 된 밴드 폭에 따라 달라집니다. 과학자들은 AlGaN과 같은 3 원 화합물의 원소 조성을 조정하여 다른 파장의 방출을 정확하게 실현할 수 있습니다. 그러나, UV LED의 고효율 발광을 달성하는 것이 항상 쉬운 것은 아니다. 연구원들은 전자와 정공이 재결합 할 때 항상 광자가 생성되는 것은 아니라는 것을 발견했습니다. 이 효율을 내부 양자 효율 (IQE)이라고합니다.
중국 과학 기술 대학 마이크로 전자 공학부 태양 하이딩 및 장시 빙 연구 그룹과 중국 과학원 닝보 재료 연구소 구오 웨이, 예지 춘 연구팀은 IQE를 높이기 위해 AlGaN 재료-사파이어 Al2O3를 통해 성장할 수있는 기판 인 UV LED의 값은 경사각에 의해 제어된다. 연구원들은 기판의 경사각이 증가 할 때 UV LED 내부의 전위가 현저히 억제되고 소자의 광도가 현저히 향상된다는 것을 발견했다. 모따기 된 기판이 4도에 도달하면, 장치의 형광 스펙트럼의 세기는 10 배 정도 증가하고, 내부 양자 효율은 기록적인 90 %에 도달했다.
기존의 UV LED 구조와 달리, 다층 양자 우물 (MQW)의 포텐셜 우물과 장벽은이 새로운 구조 내부의 발광층에서 균일하지 않습니다. 고해상도 투과 전자 현미경의 도움으로 연구자들은 현미경 규모로 단 몇 나노 미터에서 양자 우물 구조를 분석 할 수있었습니다. 연구에 따르면 기판 단계에서 갈륨 (Ga) 원자가 응집하여 국부적 인 에너지 대역이 좁아지고, 막이 성장함에 따라 Ga- 및 Al- 풍부한 영역이 DUV LED로 확장됩니다. 3 차원 공간에서 표면이 꼬이고 구부러져 3 차원 다중 양자 우물 구조를 형성합니다.
연구원들은이 특별한 현상을 Al과 Ga 원소의 상 분리와 캐리어의 국소화라고 부릅니다. InGaN 기반 청색 LED 시스템에서 In은 Ga와 100 % 혼화되지 않으므로 재료에 In 및 Ga가 풍부한 영역이 생겨 로컬 상태가되고 로딩이 촉진됩니다. 캐리어의 복사 재조합. 그러나 AlGaN 재료 시스템에서는 Al과 Ga의 상 분리가 거의 보이지 않습니다. 이 연구의 중요한 의미 중 하나는 재료의 성장 모드가 인공적으로 조정되어 상 분리가 촉진되어 장치의 발광 특성이 크게 향상된다는 것입니다.
4도 베벨 기판에서 에피 택셜 성장 조정을 최적화함으로써 연구원들은 최적의 DUV LED 구조를 탐색했습니다. 이 구조의 캐리어 수명은 1.60ns를 초과하며, 이는 일반적으로 기존 장치에서 1ns보다 낮습니다. 칩의 발광 전력을 추가로 테스트 한 결과, 연구원들은 자사의 자외선 발광 전력이 0.2도 베벨 기판을 기반으로 한 기존 장치보다 2 배 이상 높은 것으로 나타났습니다. 이것은 AlGaN 재료가 효과적인 상 분리 및 캐리어 위치를 달성 할 수 있다는 더 확실한 증거입니다. 또한, 실험가들은 이론적 계산을 통해 AlGaN 다중 양자 우물 내부의 상 분리 현상과 전위 우물 및 장벽 두께의 불균일이 광도 및 파장에 미치는 영향을 시뮬레이션했습니다. 이론적 계산은 실험과 잘 일치합니다.
연구 결과는 화중 과학 기술 대학의 Dai Jiangnan 교수와 Chen Changqing 교수, 허베이 기술 대학의 Zhang Zihui 교수, Boon Ooi 교수 및 King Abdullah 과학 기술 대학의 Iman Roqan 교수가 공동으로 완성했습니다. 연구원들은이 연구가 고효율 전 고체 UV 광원의 개발을위한 새로운 아이디어를 제공 할 것이라고 믿습니다. 이 아이디어는 고가의 패터닝 된 기판 또는 복잡한 에피 택셜 성장 프로세스를 요구하지 않습니다. 그리고 기판의 경사각 조정과 에피 택셜 성장 파라미터의 매칭 및 최적화에 의존하기 만하면 UV LED의 발광 특성이 청색 LED와 비슷한 수준으로 향상되어 테스트를 거칠 것으로 예상됩니다 고출력 딥 UV LED의 대규모 응용 분야 및 이론적 근거. 관련 결과의 제목은 "대형 오정렬 사파이어 기판에서 성장한 AlGaN Wavy Quantum Well 구조물의 명백히 향상된 자외선 발광"이라는 제목으로 Advanced Functional Materials (DOI : 10.1002 / adfm. 201905445)에서 온라인으로 출판됩니다.