Meskipun energi ultraviolet hanya menyumbang 5% dari sinar matahari, ia banyak digunakan dalam kehidupan manusia. Saat ini, aplikasi sinar UV meliputi pencetakan curing, koin anti-pemalsuan, perawatan penyakit kulit, cahaya pertumbuhan tanaman, dan kerusakan pada struktur molekul mikroorganisme seperti bakteri dan virus. Oleh karena itu, ini banyak digunakan dalam sterilisasi udara, pemurnian air, dan sterilisasi dan disinfeksi permukaan padat.
Sumber cahaya ultraviolet tradisional umumnya menggunakan keadaan bersemangat pembuangan uap merkuri untuk menghasilkan sinar ultraviolet, yang memiliki banyak cacat seperti konsumsi daya tinggi, pembangkit panas yang besar, masa pakai yang pendek, respons yang lambat, dan potensi bahaya keselamatan. Sumber cahaya ultraviolet yang dalam menggunakan prinsip light emitting diode (LED) light, yang memiliki banyak keunggulan dibandingkan lampu merkuri tradisional. Keuntungan terpenting adalah tidak mengandung merkuri beracun. Dengan implementasi Konvensi Minamata, ini menunjukkan bahwa penggunaan lampu ultraviolet yang mengandung merkuri akan sepenuhnya dilarang pada tahun 2020. Oleh karena itu, bagaimana mengembangkan sumber cahaya ultraviolet yang ramah lingkungan dan efisien telah menjadi tantangan penting yang dihadapi masyarakat. .
LED ultraviolet dalam (LED DUV) berdasarkan bahan semikonduktor celah pita lebar (GaN, AlGaN) telah menjadi satu-satunya pilihan untuk aplikasi baru ini. Sistem sumber cahaya serba-padat ini berukuran kecil, efisiensi tinggi, dan tahan lama. Hanya sebuah chip seukuran penutup jempol, itu dapat memancarkan cahaya ultraviolet yang lebih kuat dari lampu merkuri. Misteri ini terutama tergantung pada bahan semikonduktor pita-celah langsung dari kelompok III nitrida: elektron-elektron dalam pita konduksi dan lubang-lubang pada pita valensi bergabung kembali, sehingga menghasilkan foton. Energi foton tergantung pada lebar pita terlarang dari materi. Para ilmuwan dapat secara tepat menyadari emisi dari panjang gelombang yang berbeda dengan menyesuaikan komposisi elemen dalam senyawa ternary seperti AlGaN. Namun, tidak selalu mudah untuk mencapai emisi cahaya efisiensi tinggi dari LED UV. Para peneliti telah menemukan bahwa ketika elektron dan lubang bergabung kembali, foton tidak selalu dihasilkan. Efisiensi ini disebut efisiensi kuantum internal (IQE).
Kelompok penelitian Sun Haiding dan Long Shibing dari Sekolah Mikroelektronika, Universitas Sains dan Teknologi Cina, dan Guo Wei dan Ye Jichun dari Institut Material Ningbo di Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok telah menemukan bahwa untuk meningkatkan IQE nilai LED UV, substrat yang dapat ditanam melalui bahan AlGaN-safir Al2O3 dikendalikan oleh sudut beveling. Para peneliti menemukan bahwa ketika sudut miring media meningkat, dislokasi dalam LED UV secara signifikan ditekan, dan intensitas bercahaya perangkat meningkat secara signifikan. Ketika substrat chamfered mencapai 4 derajat, intensitas spektrum fluoresensi perangkat meningkat dengan urutan besarnya, dan efisiensi kuantum internal telah mencapai rekor 90%.
Berbeda dari struktur UV LED tradisional, ketebalan sumur potensial dan penghalang di sumur kuantum multilayer (MQW) tidak seragam dalam lapisan pemancar cahaya di dalam struktur baru ini. Dengan bantuan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi, para peneliti dapat menganalisis struktur sumur kuantum hanya dalam beberapa nanometer pada skala mikroskopis. Studi menunjukkan bahwa pada langkah substrat, atom gallium (Ga) akan berkumpul, yang menghasilkan penyempitan pita energi lokal, dan seiring pertumbuhan film, daerah kaya Ga dan Al akan meluas ke DUV LED. Permukaan, dan diputar serta ditekuk dalam ruang tiga dimensi, membentuk struktur sumur multi-kuantum tiga dimensi.
Peneliti menyebut fenomena khusus ini: pemisahan fase unsur Al dan Ga dan lokalisasi pembawa. Perlu ditunjukkan bahwa, dalam sistem LED biru berbasis InGaN, In tidak 100% larut dengan Ga, menghasilkan daerah In dan Ga-rich dalam material, yang menghasilkan negara bagian lokal dan mempromosikan pemuatan. Rekombinasi radiasi pembawa. Namun, dalam sistem material AlGaN, pemisahan fase Al dan Ga jarang terlihat. Salah satu signifikansi penting dari pekerjaan ini adalah bahwa mode pertumbuhan materi secara artifisial disesuaikan untuk mempromosikan pemisahan fase, dan dengan demikian sangat meningkatkan karakteristik pemancar cahaya perangkat.
Dengan mengoptimalkan penyesuaian pertumbuhan epitaxial pada substrat bevel 4 derajat, para peneliti mengeksplorasi struktur LED DUV yang optimal. Masa pakai pembawa struktur ini melebihi 1,60 ns, yang umumnya lebih rendah dari 1ns pada perangkat tradisional. Selanjutnya menguji daya bercahaya chip, para peneliti menemukan bahwa kekuatan bercahaya ultraviolet lebih dari dua kali lipat dari perangkat tradisional berdasarkan substrat bevel 0,2 derajat. Ini adalah bukti yang lebih pasti bahwa material AlGaN dapat mencapai pemisahan fase yang efektif dan lokalisasi pembawa. Selain itu, para eksperimentalis juga mensimulasikan fenomena pemisahan fase di dalam sumur kuantum berganda AlGaN dan efek dari ketidakrataan sumur potensial dan ketebalan penghalang pada intensitas cahaya dan panjang gelombang melalui perhitungan teoritis. Perhitungan teoretis sesuai dengan eksperimen.
Hasil penelitian bersama-sama diselesaikan oleh Profesor Dai Jiangnan dan Chen Changqing dari Universitas Sains dan Teknologi Huazhong, Profesor Zhang Zihui dari Universitas Teknologi Hebei, dan Profesor Boon Ooi dan Profesor Iman Roqan dari Universitas Sains dan Teknologi King Abdullah. Para peneliti percaya bahwa penelitian ini akan memberikan ide-ide baru untuk pengembangan sumber cahaya UV solid-state yang sangat efisien. Gagasan ini tidak membutuhkan substrat berpola mahal atau proses pertumbuhan epitaksi yang rumit. Dan hanya mengandalkan penyesuaian sudut bevel substrat dan pencocokan dan optimalisasi parameter pertumbuhan epitaxial, diharapkan karakteristik bercahaya LED UV akan ditingkatkan ke tingkat yang sebanding dengan LED biru, meletakkan tes untuk aplikasi skala besar dari LED UV daya tinggi dan dasar teori. Hasil terkait berjudul "Luminescence Ultraviolet Enhanced Jelas dari AlGaN Bergelombang Struktur Sumur Kuantum yang Ditumbuhkan pada Substrat Safir Berorientasi Besar" dan diterbitkan secara online di Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002 / adfm. 201905445).