先進設備による効率的な生産紫外線エネルギーは太陽光のわずか5％を占めるに過ぎませんが、人間の生活で広く使用されています。 現在、UV光の用途には、印刷硬化、コイン偽造防止、皮膚病治療、植物成長光、細菌やウイルスなどの微生物の分子構造の損傷が含まれます。 したがって、空気滅菌、浄水、および固体表面の滅菌と消毒で広く使用されています。
従来の紫外線光源は一般に、水銀蒸気放電の励起状態を使用して紫外線を生成しますが、これには高電力消費、大きな発熱、短い寿命、遅い応答、潜在的な安全上の危険などの多くの欠陥があります。 新しい深紫外光源は、従来の水銀ランプに比べて多くの利点がある発光ダイオード（LED）発光原理を使用しています。 最も重要な利点は、有毒な水銀が含まれていないことです。 水ama条約の実施により、2020年には水銀含有紫外線ランプの使用が完全に禁止されることが示されています。したがって、新しい環境に優しく効率的な紫外線光源の開発方法は、人々が直面する重要な課題となっています。 。
ワイドバンドギャップ半導体材料（GaN、AlGaN）に基づいた深紫外LED（DUV LED）は、この新しいアプリケーションの唯一の選択肢になりました。 この全固体光源システムは、サイズが小さく、効率が高く、寿命が長いです。 親指カバーほどの大きさのチップで、水銀灯よりも強い紫外線を発することができます。 この謎は主に、III族窒化物の直接バンドギャップ半導体材料に依存しています。伝導帯の電子と価電子帯の正孔が再結合し、それによって光子が生成されます。 光子のエネルギーは、材料の禁制帯幅に依存します。 科学者は、AlGaNなどの3成分化合物の元素組成を調整することにより、さまざまな波長の放射を正確に実現できます。 ただし、UV LEDの高効率発光を達成することは必ずしも容易ではありません。 研究者は、電子と正孔が再結合すると、光子が常に生成されるわけではないことを発見しました。 この効率は、内部量子効率（IQE）と呼ばれます。
中国科学技術大学マイクロエレクトロニクス学部のSun HaidingとLong Shibing、および中国科学院の寧波材料研究所のGuo WeiとYe Jichunの研究グループは、IQEを増加させるために、 AlGaN材料で成長できる基板であるUV LEDの価値-サファイアAl2O3は面取り角度によって制御されます。 研究者は、基板の傾斜角度が増加すると、UV LED内の転位が大幅に抑制され、デバイスの光度が大幅に改善されることを発見しました。 面取りされた基板が4度に達すると、デバイスの蛍光スペクトルの強度が1桁増加し、内部量子効率が記録的な90％に達しました。
従来のUV LED構造とは異なり、多層量子井戸（MQW）のポテンシャル井戸と障壁の厚さは、この新しい構造内の発光層で均一ではありません。 高解像度の透過型電子顕微鏡の助けを借りて、研究者は顕微鏡スケールでわずか数ナノメートルの量子井戸構造を分析することができました。 研究では、基板ステップでガリウム（Ga）原子が凝集し、局所的なエネルギーバンドが狭くなり、膜が成長すると、GaおよびAlリッチ領域がDUV LEDに拡大することが示されています。 表面、3次元空間でねじれ、曲がり、3次元多重量子井戸構造を形成します。
研究者はこの特別な現象を呼び出します：AlとGa元素の相分離とキャリアの局在化。 InGaNベースの青色LEDシステムでは、InはGaと100％混和しないため、材料にInおよびGaに富む領域が生じ、その結果、局所状態が生じ、負荷が促進されることを指摘する価値があります。 キャリアの放射再結合。 ただし、AlGaN材料システムでは、AlとGaの相分離はほとんど見られません。 この作業の重要な重要性の1つは、材料の成長モードを人為的に調整して相分離を促進し、デバイスの発光特性を大幅に改善することです。
4度ベベル基板でのエピタキシャル成長調整を最適化することにより、研究者は最適なDUV LED構造を調査しました。 この構造のキャリア寿命は1.60 nsを超えており、これは一般に従来のデバイスの1nsよりも短くなっています。 チップの発光パワーをさらにテストすると、研究者は、その紫外線発光パワーが0.2度ベベル基板に基づく従来のデバイスの2倍以上であることを発見しました。 これは、AlGaN材料が効果的な相分離とキャリアの局在化を達成できるというより確実な証拠です。 さらに、実験者は、理論計算により、AlGaN多重量子井戸内部の相分離現象と、ポテンシャル井戸の不均一性と障壁の厚さが光度と波長に及ぼす影響もシミュレートしました。 理論計算は実験とよく一致しています。
研究結果は、華中科技大学のDai Jiangnan教授とChen Changqing教授、河北工科大学のZhang Zihui教授、King Abdullah工科大学のBoon Ooi教授およびIman Roqan教授によって共同で完成されました。 研究者は、この研究が非常に効率的な全固体UV光源の開発のための新しいアイデアを提供すると信じています。 このアイデアは、高価なパターン基板や複雑なエピタキシャル成長プロセスを必要としません。 そして、基板のベベル角の調整とエピタキシャル成長パラメータのマッチングと最適化に依存するだけで、UV LEDの発光特性が青色LEDに匹敵するレベルまで改善され、テストが行われることが期待されます。高出力の深紫外線LEDの大規模なアプリケーション向けおよび理論的基礎。 関連する結果は、「大きな誤配向サファイア基板上に成長したAlGaN波状量子井戸構造の明確に強化された紫外発光」と題され、Advanced Functional Materials（DOI：10.1002 / adfm。201905445）でオンラインで公開されています。