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首頁 > UV LED新型深紫外線LED
發(fā)布時間：2021-10-29 文章出自：http://www.69ru.cn/
近期，中國科大微電子學院孫海定和龍世兵課題組關于利用藍寶石襯底斜切角調(diào)控量子阱實現(xiàn)三維載流子束縛，突破了紫外LED發(fā)光性能的重要進展。
雖然紫外線在太陽光中能量占比僅5%，但在人類生活中應用廣泛。目前，紫外光廣泛應用于水凈化、光固化和殺菌消毒等領域。傳統(tǒng)的紫外光源一般是采用汞蒸氣放電的激發(fā)態(tài)來產(chǎn)生紫外線，有著發(fā)熱量大、功耗高、反應慢、壽命短和安全隱患等諸多缺陷。而新型的深紫外光源則采用發(fā)光二極管（LED）發(fā)光原理，相對于傳統(tǒng)的汞燈擁有諸多的優(yōu)點。其中，最為重要的優(yōu)勢在于其不含有毒汞元素。《水俁公約》的實施，預示2020年將全面禁止含有汞元素紫外燈的使用。因此，開發(fā)出一種全新的環(huán)保、高效紫外光源，成為了擺在人們面前的一項重要挑戰(zhàn)。
由此，基于寬禁帶半導體材料（氮化鎵、氮化鎵鋁）的深紫外發(fā)光二極管（UV LED）成為這一新應用的不二選擇。這一全固態(tài)光源體系效率高、體積小、壽命長，而且不過是拇指蓋大小的芯片，就能發(fā)出比汞燈還要強的紫外光。這里面的奧秘主要取決于III族氮化物這種直接帶隙半導體材料：導帶上的電子與價帶上的空穴復合時，產(chǎn)生光子。光子的能量則取決于材料的禁帶寬度，所以科學家們可以通過調(diào)節(jié)氮化鎵鋁（AlGaN）這種三元化合物中的元素組分來實現(xiàn)不同波長的發(fā)光。但是，要想實現(xiàn)UV LED的高效發(fā)光并不總是那么簡單的事情。科學家們發(fā)現(xiàn)當電子和空穴復合時，并不總是一定產(chǎn)生光子，這一效率被稱之為內(nèi)量子效率(IQE)。
與傳統(tǒng)紫外LED結(jié)構不同的是，這種新型結(jié)構內(nèi)部的發(fā)光層——多層量子阱（MQW）內(nèi)勢阱和勢壘的厚度并不是均勻的。借助于高分辨投射電子顯微鏡，研究人員得以在微觀尺度分析僅僅只有幾納米的量子阱結(jié)構。研究表明，在襯底的臺階處，鎵（Ga）原子會出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，這導致了局部的能帶變窄，并且隨著薄膜的生長，富Ga和富AI的區(qū)域會一直延伸至DUV LED的表面，并且在三維空間內(nèi)出現(xiàn)扭曲、彎折、形成三維的多量子阱結(jié)構。研究者們稱這一特殊現(xiàn)象為：AI、Ga的元素的相分離和載流子局域化現(xiàn)象。值得指出的是，在銦鎵氮（lnGaN）基的藍光LED體系中，ln由于和Ga并不100%互溶，導致材料內(nèi)部出現(xiàn)富ln和富Ga的區(qū)域，從而產(chǎn)生局域態(tài)，促進的載流子的輻射復合。但在AlGaN材料體系中，Al和Ga的相分離卻很少見到。而此工作的重要意義之一就在于人為調(diào)節(jié)材料的生長模式，促進相分離，并因此大大改善了器件的發(fā)光特性。
此項研究將會為高效率的全固態(tài)紫外光源的研發(fā)提供新的思路。這種思路無需昂貴的圖形化襯底，也不需要復雜的外延生長工藝。而僅僅依靠襯底的斜切角的調(diào)控和外延生長參數(shù)的匹配和優(yōu)化，就有望將紫外LED的發(fā)光特性提高到與藍光LED相媲美的高度，為高功率深紫外LED的大規(guī)模應用奠定實驗和理論基礎。
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