近期，中國科大微電子學院孫海定和龍世兵課題組關(guān)于利用藍寶石襯底斜切角調(diào)控量子阱實現(xiàn)三維載流子束縛，突破了紫外LED發(fā)光性能的重要進展。相關(guān)研究以“Unambiguously Enhanced Ultraviolet Luminescence of AlGaN Wavy Quantum Well Structures Grown on Large Misoriented Sapphire Substrate”為題發(fā)表在《先進功能材料》。

雖然紫外線在太陽光中能量占比僅5%，但在人類生活中應(yīng)用廣泛。目前，紫外光廣泛應(yīng)用于水凈化、光固化和殺菌消毒等領(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，有著發(fā)熱量大、功耗高、反應(yīng)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(fā)光二極管（LED）發(fā)光原理，相對于傳統(tǒng)的汞燈擁有諸多的優(yōu)點。其中，最為重要的優(yōu)勢在于其不含有毒汞元素。《水俁公約》的實施，預(yù)示2020年將全面禁止含有汞元素紫外燈的使用。因此，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重要挑戰(zhàn)。

由此，基于寬禁帶半導(dǎo)體材料（氮化鎵、氮化鎵鋁）的深紫外發(fā)光二極管（UV LED）成為這一新應(yīng)用的不二選擇。這一全固態(tài)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(fā)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(dǎo)體材料：導(dǎo)帶上的電子與價帶上的空穴復(fù)合時，產(chǎn)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(diào)節(jié)氮化鎵鋁（AlGaN）這種三元化合物中的元素組分來實現(xiàn)不同波長的發(fā)光。但是，要想實現(xiàn)UV LED的高效發(fā)光并不總是那么簡單的事情。科學家們發(fā)現(xiàn)當電子和空穴復(fù)合時，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(IQE)。

中科大微電子學院孫海定和龍世兵教授的課題組巧妙通過調(diào)控藍寶石襯底的斜切角，大幅提升紫外LED的IQE和器件發(fā)光功率。他們的課題組發(fā)現(xiàn)當提高襯底的斜切角時，UV LED內(nèi)部的位錯得到明顯抑制，器件發(fā)光D的強度明顯提高。當斜切角襯底達到4度時，器件熒光光譜的強度提升了一個數(shù)量級，而內(nèi)量子效率也達到了破紀錄的90%以上。

圖：在0.2和4度斜切角藍寶石襯底上制備的深紫外LED光致發(fā)光光譜和器件示意圖，有源區(qū)透射電子顯微鏡展示了高分辨多量子阱結(jié)構(gòu)圖，和輸出功率的對比圖。

此項研究將會為高效率的全固態(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)雜的外延生長工藝。而僅僅依靠襯底的斜切角的調(diào)控和外延生長參數(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)用奠定實驗和理論基礎(chǔ)。

中國科大微電子學院孫海定研究員為論文的第一作者和共同通訊作者。該項目聯(lián)合中國科學院寧波材料所郭煒和葉繼春研究員，華中科技大學戴江南和陳長清教授，河北工業(yè)大學張紫輝教授，沙特阿卜杜拉國王科技大學Boon Ooi和Iman Roqan教授一起攻關(guān)完成。該研究工作得到了國家自然科學基金委、中科院、中國科大等單位的支持。部分樣品加工工藝在中國科大微納研究與制造中心完成。論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201905445