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UV LED新型深紫外線LED

文章出處:http://www.club4it.com網責任編輯:LED燈珠作者:拓展LED人氣:-發表時間:2020-02-18 14:05:00

 

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控量子阱實現三維載流子束縛,突破了紫外LED發光性能的重要進展。

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。傳統的紫外光源一般是采用汞蒸氣放電的激發態來產生紫外線,有著發熱量大、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光二極管(LED)發光原理,相對于傳統的汞燈擁有諸多的優點。其中,最為重要的優勢在于其不含有毒汞元素?!端畟R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,開發出一種全新的環保、高效紫外光源,成為了擺在人們面前的一項重要挑戰。

 

由此,基于寬禁帶半導體材料(氮化鎵、氮化鎵鋁)的深紫外發光二極管(UV LED)成為這一新應用的不二選擇。這一全固態光源體系效率高、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節氮化鎵鋁(AlGaN)這種三元化合物中的元素組分來實現不同波長的發光。但是,要想實現UV LED的高效發光并不總是那么簡單的事情??茖W家們發現當電子和空穴復合時,并不總是一定產生光子,這一效率被稱之為內量子效率(IQE)。

與傳統紫外LED結構不同的是,這種新型結構內部的發光層——多層量子阱(MQW)內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構。研究表明,在襯底的臺階處,鎵(Ga)原子會出現聚集現象,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的區域會一直延伸至DUV LED的表面,并且在三維空間內出現扭曲、彎折、形成三維的多量子阱結構。研究者們稱這一特殊現象為:AI、Ga的元素的相分離和載流子局域化現象。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,導致材料內部出現富ln和富Ga的區域,從而產生局域態,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節材料的生長模式,促進相分離,并因此大大改善了器件的發光特性。

此項研究將會為高效率的全固態紫外光源的研發提供新的思路。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控和外延生長參數的匹配和優化,就有望將紫外LED的發光特性提高到與藍光LED相媲美的高度,為高功率深紫外LED的大規模應用奠定實驗和理論基礎。

 

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