Production efficace d’installations avancéesBien que l'énergie ultraviolette ne représente que 5% de la lumière solaire, elle est largement utilisée dans la vie humaine. À l'heure actuelle, les applications de lumière UV comprennent le durcissement de l'impression, l'anti-contrefaçon de pièces, le traitement des maladies de la peau, la lumière de croissance des plantes et les dommages à la structure moléculaire des micro-organismes tels que les bactéries et les virus. Par conséquent, il est largement utilisé dans la stérilisation de l'air, la purification de l'eau, la stérilisation et la désinfection des surfaces solides.
La source de lumière ultraviolette traditionnelle utilise généralement l'état excité de décharge de vapeur de mercure pour générer de la lumière ultraviolette, qui présente de nombreux défauts tels qu'une consommation d'énergie élevée, une grande génération de chaleur, une courte durée de vie, une réponse lente et des risques potentiels pour la sécurité. La nouvelle source de lumière ultraviolette profonde utilise le principe d'émission de lumière à diode électroluminescente (LED), qui présente de nombreux avantages par rapport aux lampes à mercure traditionnelles. L'avantage le plus important est qu'il ne contient pas de mercure toxique. Avec la mise en œuvre de la Convention de Minamata, cela indique que l'utilisation de lampes ultraviolettes contenant du mercure sera totalement interdite en 2020. Par conséquent, comment développer une nouvelle source de lumière ultraviolette respectueuse de l'environnement et efficace est devenue un défi important pour les populations. .
Les LED ultraviolettes profondes (LED DUV) basées sur des matériaux semi-conducteurs à large bande interdite (GaN, AlGaN) sont devenues le seul choix pour cette nouvelle application. Ce système de source lumineuse à semi-conducteurs est de petite taille, à haut rendement et à longue durée de vie. Juste une puce de la taille d'un protège-pouce, elle peut émettre une lumière ultraviolette plus forte qu'une lampe au mercure. Le mystère de cela dépend principalement du matériau semi-conducteur à bande interdite directe des nitrures du groupe III: les électrons dans la bande de conduction et les trous dans la bande de valence se recombinent, générant ainsi des photons. L'énergie du photon dépend de la largeur de bande interdite du matériau. Les scientifiques peuvent réaliser précisément l'émission de différentes longueurs d'onde en ajustant la composition des éléments dans le composé ternaire tel que l'AlGaN. Cependant, il n'est pas toujours facile d'obtenir une émission lumineuse à haute efficacité des LED UV. Les chercheurs ont découvert que lorsque les électrons et les trous se recombinent, les photons ne sont pas toujours générés. Cette efficacité est appelée efficacité quantique interne (IQE).
Le groupe de recherche de Sun Haiding and Long Shibing de la School of Microelectronics, University of Science and Technology of China, et Guo Wei et Ye Jichun de l'Institut Ningbo des matériaux de l'Académie chinoise des sciences ont découvert cela afin d'augmenter l'IQE valeur des LED UV, un substrat qui peut être cultivé à travers des matériaux AlGaN-saphir Al2O3 est contrôlé par l'angle de biseautage. Les chercheurs ont découvert que lorsque l'angle de biseautage du substrat augmente, les dislocations à l'intérieur de la LED UV sont considérablement supprimées et l'intensité lumineuse de l'appareil est considérablement améliorée. Lorsque le substrat chanfreiné atteint 4 degrés, l'intensité du spectre de fluorescence de l'appareil est augmentée d'un ordre de grandeur et l'efficacité quantique interne a atteint un record de 90%.
Différente de la structure LED UV traditionnelle, l'épaisseur du puits potentiel et de la barrière dans le puits quantique multicouche (MQW) n'est pas uniforme dans la couche électroluminescente à l'intérieur de cette nouvelle structure. Grâce à la microscopie électronique à transmission à haute résolution, les chercheurs ont pu analyser les structures de puits quantiques à quelques nanomètres à l'échelle microscopique. Des études montrent qu'à l'étape du substrat, les atomes de gallium (Ga) vont s'agréger, ce qui se traduit par un rétrécissement localisé de la bande d'énergie, et au fur et à mesure que le film se développe, les régions riches en Ga et en Al s'étendront aux LED DUV. Surface, et tordu et plié dans un espace tridimensionnel, formant une structure de puits multi-quantique tridimensionnelle.
Les chercheurs appellent ce phénomène spécial: la séparation de phases des éléments Al et Ga et la localisation des porteurs. Il convient de noter que, dans le système de LED bleu à base d'InGaN, In n'est pas 100% miscible avec Ga, ce qui entraîne des régions riches en In et en Ga dans le matériau, ce qui entraîne des états locaux et favorise le chargement. Recombinaison radiative des porteurs. Cependant, dans les systèmes de matériaux AlGaN, la séparation de phase de Al et Ga est rarement observée. L'une des significations importantes de ce travail est que le mode de croissance du matériau est ajusté artificiellement pour favoriser la séparation de phases, et ainsi améliorer considérablement les caractéristiques d'émission de lumière du dispositif.
En optimisant l'ajustement de la croissance épitaxiale sur un substrat biseauté à 4 degrés, les chercheurs ont exploré une structure optimale de LED DUV. La durée de vie de la porteuse de cette structure dépasse 1,60 ns, ce qui est généralement inférieur à 1 ns dans les appareils traditionnels. En testant davantage la puissance lumineuse de la puce, les chercheurs ont découvert que sa puissance lumineuse ultraviolette était plus du double de celle des appareils traditionnels basés sur un substrat biseauté à 0,2 degré. Ceci est une preuve plus certaine que les matériaux AlGaN peuvent réaliser une séparation de phases et une localisation de support efficaces. De plus, les expérimentateurs ont également simulé le phénomène de séparation de phases à l'intérieur des puits quantiques multiples AlGaN et les effets de l'inégalité du puits potentiel et de l'épaisseur de la barrière sur l'intensité lumineuse et la longueur d'onde par des calculs théoriques. Les calculs théoriques sont en bon accord avec les expériences.
Les résultats de la recherche ont été complétés conjointement par les professeurs Dai Jiangnan et Chen Changqing de l'Université des sciences et technologies de Huazhong, le professeur Zhang Zihui de l'université de technologie du Hebei, et les professeurs Boon Ooi et Iman Roqan de l'université des sciences et technologies du roi Abdallah. Les chercheurs pensent que cette recherche fournira de nouvelles idées pour le développement de sources de lumière UV à semi-conducteurs très efficaces. Cette idée ne nécessite pas de substrats à motifs coûteux ou de processus de croissance épitaxiale compliqués. Et en se basant uniquement sur le réglage de l'angle de biseau du substrat et l'adaptation et l'optimisation des paramètres de croissance épitaxiale, il est prévu que les caractéristiques lumineuses des LED UV seront améliorées à un niveau comparable à celui des LED bleues, établissant un test pour des applications à grande échelle de LED UV profondes haute puissance Et base théorique. Les résultats connexes sont intitulés «Luminescence ultraviolette améliorée sans ambiguïté des structures de puits quantiques ondulées AlGaN cultivées sur un grand substrat de saphir misorienté» et publiées en ligne sur Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002 / adfm. 201905445).