中科大孙海定课题组利用衬底斜切角调控量子阱实现三维载流子束缚，突破紫外LED性能

本文摘要：紫外线虽然在太阳光中能量占到比仅5％，但却普遍应用于人类生活。目前紫外光应用于还包括印刷烧结、钱币防伪、皮肤病化疗、植物生长光照、毁坏微生物如细菌、病毒等分子结构，因此普遍应用于空气杀菌、水体净化和液体表面除菌消毒等领域。传统的紫外光源一般是使用汞蒸气静电的激发态来产生紫外线，具有功耗低、发热量大、寿命短、反应快、有安全隐患等诸多缺失。新型的浅紫外光源则使用发光二极管（lightemittingdiode：LED）闪烁原理，相对于传统的汞灯享有诸多的优点。

紫外线虽然在太阳光中能量占到比仅5％，但却普遍应用于人类生活。目前紫外光应用于还包括印刷烧结、钱币防伪、皮肤病化疗、植物生长光照、毁坏微生物如细菌、病毒等分子结构，因此普遍应用于空气杀菌、水体净化和液体表面除菌消毒等领域。传统的紫外光源一般是使用汞蒸气静电的激发态来产生紫外线，具有功耗低、发热量大、寿命短、反应快、有安全隐患等诸多缺失。新型的浅紫外光源则使用发光二极管（lightemittingdiode：LED）闪烁原理，相对于传统的汞灯享有诸多的优点。

其中尤为最重要优势的在于其不所含毒汞元素。随着《水俣公约》的实行，标志着2020年间将全面禁止所含汞元素紫外灯的用于，因此如何才能研发出有一种全新的环保、高效紫外光源，沦为了放在人们面前的一项最重要挑战。

而基于长禁带半导体材料（GaN，AlGaN）的浅紫外发光二极管（deepultravioletLED：DUVLED）沦为了这新应用于的不二自由选择。这一全固态光源体系体积小、效率高，寿命长，意味着是拇指垫大小的芯片，就可以收到比汞灯还要强劲的紫外光。这其中的奥秘主要各不相同III族氮化物这一种必要带上隙半导体材料：导带上的电子与价拿着的空穴填充，从而产生光子。

而光子的能量则各不相同材料的禁带宽度，科学家们则可以通过调节AlGaN这种三元化合物中的元素组分，仪器地构建有所不同波长的闪烁。然而，要想要构建紫外LED的高效闪烁并不总是那么更容易。研究者们找到，当电子和空穴填充时，并不总是一定产生光子，这一效率被称作内量子效率（internalquantumefficiency：IQE）。

中国科学技术大学微电子学院孙海定和龙世兵课题组和中国科学院宁波材料所郭炜和叶继春课题组找到，为了提高紫外LED的IQE数值，可以通过AlGaN材料生长的衬底－－蓝宝石，也就是Al2O3的斜切角调控来构建，研究人员找到，当提升衬底的斜切角时，紫外LED内部的晶格获得显著诱导，器件发光强度明显提高。当斜切角衬底超过4度时，器件荧光光谱的强度提高了一个数量级，而内量子效率也超过了创纪录的90％以上。与传统紫外LED结构有所不同的是，这一种新型结构内部的闪烁层－－即多层量子阱（MQW）内势阱和势垒的厚度并不是均匀分布的。借助高分辨入射电子显微镜，研究人员以求在微观尺度分析意味着只有几纳米的量子阱结构。

研究指出，在衬底的台阶处，镓（Ga）原子不会经常出现挤满现象，这造成了局部的能带变宽，并且随着薄膜的生长，富Ga和富Al的区域不会仍然伸延至DUVLED的表面，并且在三维空间内经常出现变形、刀柄，构成三维的多量子阱结构。研究者们称之为这一类似的现象为：Al，Ga元素的相分离和载流子局域化现象。

有一点认为的是，在铟镓氮（InGaN）基的蓝光LED体系中，In由于和Ga并不100％互溶，造成材料内部经常出现富In和富Ga的区域，从而产生局域态，增进的载流子的电磁辐射填充。但在AlGaN材料体系中，Al和Ga的相分离却很少看到。而此工作的最重要意义之一就在于人为调节材料的生长模式，增进相分离，并因此大大提高了器件的闪烁特性。

通过在4度斜切角衬底上优化外延生长调节，研究人员摸索到了一种最佳的DUVLED结构。该结构的载流子寿命多达了1．60ns，而传统器件中这一数值一般都高于1ns。更进一步测试芯片的闪烁功率，科研人员找到其紫外闪烁功率比传统基于0．2度斜切角衬底的器件强劲2倍之多。

这更为确信无疑地证明了，AlGaN材料可以构建有效地的相分离和载流子局域化现象。除此之外，实验人员还通过理论计算出来仿真了AlGaN多量子阱内部的相分离现象以及势阱、势垒厚度不均一性对发光强度和波长的影响，理论计算出来与实验构建了十分相符。该研究成果同时获得了华中科技大学戴着江南和陈长清教授，河北工业大学张紫辉教授，沙特阿卜杜拉国王科技大学BoonOoi和ImanRoqan教授等联合攻关已完成。

研究者坚信，此项研究将不会为高效率的全固态紫外光源的研发获取新的思路。这种思路需要便宜的图形化衬底，也不必须简单的外延生长工艺。而意味着依赖衬底的斜切角的调控和外延生长参数的给定和优化，就未来将会将紫外LED的闪烁特性提升到与蓝光LED相媲美的高度，为高功率浅紫外LED的大规模应用于奠下实验和理论基础。涉及结果以“UnambiguouslyEnhancedUltravioletLuminescenceofAlGaNWavyQuantumWellStructuresGrownonLargeMisorientedSapphireSubstrate”为题，在线公开发表在AdvancedFunctionalMaterials上（DOI：10．1002／adfm．201905445）。

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