Aunque la energía ultravioleta representa solo el 5% de la luz solar, se usa ampliamente en la vida humana. En la actualidad, las aplicaciones de luz UV incluyen curado por impresión, antifalsificación de monedas, tratamiento de enfermedades de la piel, luz de crecimiento de las plantas y daños a la estructura molecular de microorganismos como bacterias y virus. Por lo tanto, se usa ampliamente en esterilización por aire, purificación de agua y esterilización y desinfección de superficies sólidas.
La fuente de luz ultravioleta tradicional generalmente usa el estado excitado de la descarga de vapor de mercurio para generar luz ultravioleta, que tiene muchos defectos, como un alto consumo de energía, gran generación de calor, corta vida, respuesta lenta y posibles riesgos de seguridad. La nueva fuente de luz ultravioleta profunda utiliza el principio de emisión de luz del diodo emisor de luz (LED), que tiene muchas ventajas sobre las lámparas de mercurio tradicionales. La ventaja más importante es que no contiene mercurio tóxico. Con la implementación de la Convención de Minamata, indica que el uso de lámparas ultravioletas que contienen mercurio estará completamente prohibido en 2020. Por lo tanto, cómo desarrollar una nueva fuente de luz ultravioleta ecológica y eficiente se ha convertido en un desafío importante para las personas. .
Los LED ultravioleta profundos (LED DUV) basados en materiales semiconductores de banda ancha (GaN, AlGaN) se han convertido en la única opción para esta nueva aplicación. Este sistema de fuente de luz de estado sólido es pequeño, de alta eficiencia y larga vida útil. Solo un chip del tamaño de una cubierta para el pulgar, puede emitir luz ultravioleta que es más fuerte que una lámpara de mercurio. El misterio de esto depende principalmente del material semiconductor de banda prohibida directa de los nitruros del grupo III: los electrones en la banda de conducción y los agujeros en la banda de valencia se recombinan, generando fotones. La energía del fotón depende del ancho de banda prohibido del material. Los científicos pueden realizar con precisión la emisión de diferentes longitudes de onda ajustando la composición del elemento en el compuesto ternario como AlGaN. Sin embargo, no siempre es fácil lograr una emisión de luz de alta eficiencia de los LED UV. Los investigadores han descubierto que cuando los electrones y los agujeros se recombinan, los fotones no siempre se generan. Esta eficiencia se llama eficiencia cuántica interna (IQE).
El grupo de investigación de Sun Haiding and Long Shibing de la Escuela de Microelectrónica de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, y Guo Wei y Ye Jichun del Instituto de Materiales de Ningbo de la Academia de Ciencias de China lo descubrieron para aumentar el IQE El valor de los LED UV, un sustrato que se puede cultivar a través de los materiales AlGaN, el zafiro Al2O3 está controlado por el ángulo de biselado. Los investigadores descubrieron que cuando se aumenta el ángulo de biselado del sustrato, las dislocaciones dentro del LED UV se suprimen significativamente y la intensidad luminosa del dispositivo mejora significativamente. Cuando el sustrato achaflanado alcanza los 4 grados, la intensidad del espectro de fluorescencia del dispositivo aumenta en un orden de magnitud, y la eficiencia cuántica interna ha alcanzado un récord del 90%.
A diferencia de la estructura tradicional de LED UV, el espesor del pozo potencial y la barrera en el pozo cuántico multicapa (MQW) no es uniforme en la capa emisora de luz dentro de esta nueva estructura. Con la ayuda de la microscopía electrónica de transmisión de alta resolución, los investigadores pudieron analizar estructuras de pozos cuánticos a solo unos pocos nanómetros en una escala microscópica. Los estudios muestran que en el paso del sustrato, los átomos de galio (Ga) se agregarán, lo que resulta en un estrechamiento de la banda de energía localizada, y a medida que la película crece, las regiones ricas en Ga y Al se extenderán a los LED DUV. Superficie, retorcida y doblada en un espacio tridimensional, formando una estructura tridimensional de pozo multicuantico.
Los investigadores llaman a este fenómeno especial: la separación de fases de los elementos Al y Ga y la localización de los portadores. Vale la pena señalar que, en el sistema de LED azul basado en InGaN, In no es 100% miscible con Ga, lo que resulta en regiones In y ricas en Ga en el material, lo que da como resultado estados locales y carga promovida. La recombinación radiactiva de los portadores. Sin embargo, en los sistemas de materiales AlGaN, rara vez se ve la separación de fases de Al y Ga. Uno de los importantes significados de este trabajo es que el modo de crecimiento del material se ajusta artificialmente para promover la separación de fases y, por lo tanto, mejora en gran medida las características de emisión de luz del dispositivo.
Al optimizar el ajuste del crecimiento epitaxial en un sustrato de bisel de 4 grados, los investigadores exploraron una estructura LED DUV óptima. La vida útil del portador de esta estructura excede 1,60 ns, que generalmente es inferior a 1ns en dispositivos tradicionales. Luego de probar la potencia luminosa del chip, los investigadores descubrieron que su potencia luminosa ultravioleta era más del doble que la de los dispositivos tradicionales basados en un sustrato de bisel de 0.2 grados. Esta es una prueba más segura de que los materiales AlGaN pueden lograr una separación de fases y una localización de portadores efectivas. Además, los experimentadores también simularon el fenómeno de separación de fases dentro de los pozos cuánticos múltiples AlGaN y los efectos de la desigualdad del pozo potencial y el grosor de la barrera sobre la intensidad luminosa y la longitud de onda a través de cálculos teóricos. Los cálculos teóricos están de acuerdo con los experimentos.
Los resultados de la investigación fueron completados conjuntamente por los profesores Dai Jiangnan y Chen Changqing de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, el profesor Zhang Zihui de la Universidad de Tecnología de Hebei y el profesor Boon Ooi y el profesor Iman Roqan de la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah. Los investigadores creen que esta investigación proporcionará nuevas ideas para el desarrollo de fuentes de luz ultravioleta de estado sólido altamente eficientes. Esta idea no requiere sustratos con patrones caros o procesos de crecimiento epitaxial complicados. Y solo confiando en el ajuste del ángulo de bisel del sustrato y la coincidencia y optimización de los parámetros de crecimiento epitaxial, se espera que las características luminosas de los LED UV se mejoren a un nivel comparable al de los LED azules, haciendo una prueba para aplicaciones a gran escala de LED UV profundos de alta potencia y bases teóricas. Los resultados relacionados se titulan "Luminosidad ultravioleta inequívocamente mejorada de estructuras de pozos cuánticos ondulados ondulados de AlGaN producidos en sustrato de zafiro desorientado grande" y se publican en línea en Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002 / adfm. 201905445).