紫外線雖然在太陽光中能量占比僅5%，但卻廣泛應(yīng)用于人類生活。目前紫外光應(yīng)用包括印刷固化、錢幣防偽、皮膚病治療、植物生長(zhǎng)光照、破壞微生物如細(xì)菌、病毒等分子結(jié)構(gòu)，因此廣泛應(yīng)用于空氣殺菌、水體凈化和固體表面除菌消毒等領(lǐng)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，有著功耗高、發(fā)熱量大、壽命短、反應(yīng)慢、有安全隱患等諸多缺陷。新型的深紫外光源則采用發(fā)光二極管（light emitting diode: LED）發(fā)光原理，相對(duì)于傳統(tǒng)的汞燈擁有諸多的優(yōu)點(diǎn)。其中最為重要優(yōu)勢(shì)的在于其不含有毒汞元素。隨著《水俁公約》的實(shí)施，標(biāo)志著2020年間將全面禁止含有汞元素紫外燈的使用，因此如何才能開發(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(xiàng)重要挑戰(zhàn)。
而基于寬禁帶半導(dǎo)體材料（GaN，AlGaN）的深紫外發(fā)光二極管（deep ultraviolet LED: DUV LED）成為了這一新應(yīng)用的不二選擇。這一全固態(tài)光源體系體積小、效率高，壽命長(zhǎng)，僅僅是拇指蓋大小的芯片，就可以發(fā)出比汞燈還要強(qiáng)的紫外光。這其中的奧秘主要取決于III族氮化物這一種直接帶隙半導(dǎo)體材料：導(dǎo)帶上的電子與價(jià)帶上的空穴復(fù)合，從而產(chǎn)生光子。而光子的能量則取決于材料的禁帶寬度，科學(xué)家們則可以通過調(diào)節(jié)AlGaN這種三元化合物中的元素組分，精密地實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的發(fā)光。然而，要想實(shí)現(xiàn)紫外LED的高效發(fā)光并不總是那么容易。研究者們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)，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(internal quantum efficiency: IQE)。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院孫海定和龍世兵課題組和中國(guó)科學(xué)院寧波材料所郭煒和葉繼春課題組發(fā)現(xiàn)，為了提升紫外LED的IQE數(shù)值，可以通過AlGaN材料生長(zhǎng)的襯底--藍(lán)寶石，也就是Al2O3的斜切角調(diào)控來實(shí)現(xiàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)提高襯底的斜切角時(shí)，紫外LED內(nèi)部的位錯(cuò)得到明顯抑制，器件發(fā)光強(qiáng)度明顯提高。當(dāng)斜切角襯底達(dá)到4度時(shí)，器件熒光光譜的強(qiáng)度提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，而內(nèi)量子效率也達(dá)到了破紀(jì)錄的90%以上。
與傳統(tǒng)紫外LED結(jié)構(gòu)不同的是，這一種新型結(jié)構(gòu)內(nèi)部的發(fā)光層--即多層量子阱（MQW）內(nèi)勢(shì)阱和勢(shì)壘的厚度并不是均勻的。借助于高分辨透射電子顯微鏡，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(gòu)。研究表明，在襯底的臺(tái)階處，鎵（Ga）原子會(huì)出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，這導(dǎo)致了局部的能帶變窄，并且隨著薄膜的生長(zhǎng)，富Ga和富Al的區(qū)域會(huì)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(gòu)。
研究者們稱這一特殊的現(xiàn)象為：Al，Ga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（InGaN）基的藍(lán)光LED體系中，In由于和Ga并不100%互溶，導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)富In和富Ga的區(qū)域，從而產(chǎn)生局域態(tài)，促進(jìn)的載流子的輻射復(fù)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(zhǎng)模式，促進(jìn)相分離，并因此大大改善了器件的發(fā)光特性。
通過在4度斜切角襯底上優(yōu)化外延生長(zhǎng)調(diào)節(jié)，研究人員摸索到了一種最佳的DUV LED結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的載流子壽命超過了1.60 ns，而傳統(tǒng)器件中這一數(shù)值一般都低于1ns。進(jìn)一步測(cè)試芯片的發(fā)光功率，科研人員發(fā)現(xiàn)其紫外發(fā)光功率比傳統(tǒng)基于0.2度斜切角襯底的器件強(qiáng)2倍之多。這更加確信無疑地證明了，AlGaN材料可以實(shí)現(xiàn)有效的相分離和載流子局域化現(xiàn)象。除此之外，實(shí)驗(yàn)人員還通過理論計(jì)算模擬了AlGaN 多量子阱內(nèi)部的相分離現(xiàn)象以及勢(shì)阱、勢(shì)壘厚度不均一性對(duì)發(fā)光強(qiáng)度和波長(zhǎng)的影響，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了十分吻合。
該研究成果同時(shí)得到了華中科技大學(xué)戴江南和陳長(zhǎng)清教授，河北工業(yè)大學(xué)張紫輝教授，沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Boon Ooi和Iman Roqan教授等聯(lián)合攻關(guān)完成。研究者相信，此項(xiàng)研究將會(huì)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(fù)雜的外延生長(zhǎng)工藝。而僅僅依靠襯底的斜切角的調(diào)控和外延生長(zhǎng)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(lán)光LED相媲美的高度，為高功率深紫外LED的大規(guī)模應(yīng)用奠定實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。相關(guān)結(jié)果以“Unambiguously Enhanced Ultraviolet Luminescence of AlGaN Wavy Quantum Well Structures Grown on Large Misoriented Sapphire Substrate”為題，在線發(fā)表在Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.201905445）。
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