动力与机械学院周圣军研究小组在氮化镓（GaN）基紫外发光二极管（Light-Emitting Diodes，LEDs）领域取得新进展，研究成果近日在线发表于中科院一区TOP期刊Nano Energy（《纳米能源》，影响因子15.548）。

论文题目为“Boosted ultraviolet electroluminescence of InGaN/AlGaN quantum structures grown on high-index contrast patterned sapphire with silica array”(《图案化二氧化硅阵列衬底提升铟镓氮（InGaN）/铝镓氮（AlGaN）量子阱结构的紫外发光效率》)。武汉大学为论文第一作者和通讯作者单位。博士生胡红坡、唐斌和万辉为论文共同第一作者，周圣军为论文通讯作者。合作者有武汉大学刘胜教授、美国密歇根大学郭凌杰教授、华中科技大学陈长清教授和戴江南教授、中国科学技术大学孙海定教授。

紫外光通信是一种新兴的无线光通信技术，可用于海陆空专用的局域保密通信。紫外光在自由空间光通信上具有独特的优势。由于太阳发射的深紫外光被地球平流层中的臭氧层所吸收，因此，紫外光可用于建立高层大气卫星间高保密自由空间光通信链接。此外，紫外光在空气中的散射非常强烈，可以在地面上建立低噪音、非视距的光通信链接，具有抗干扰能力强、保密性好、不需跟踪瞄准等优点。然而目前所用的紫外光源（汞灯、闪光管等）的调制带宽和效率较低，极大限制了上述通信链接的性能，研制高效率紫外LED芯片是实现高速紫外光通信的关键。然而，与蓝光LED芯片相比，紫外LED芯片的发光效率较低，存在着显著的提升空间。制约紫外LED芯片发光效率进一步提升的主要因素包括：1)由于氮化物半导体通常在高温下采用异质外延方法获得，因此大晶格失配和热膨胀失配在外延层中产生高密度的缺陷，导致紫外LED芯片内量子效率低。2)光在高折射率多光学界面体系中发生的全反射限制了紫外LED芯片光提取效率的进一步提升。

在氮化物LED的发展史上，图案化蓝宝石衬底技术是一项突破性的技术，引领了蓝光和绿光LED发光效率的革命性提升。图案化蓝宝石衬底的作用主要体现在两方面：一是利用图案化蓝宝石衬底可以实现GaN等III-V族材料的横向外延生长，对位错的产生、增殖、相互作用及其湮没过程进行调控，降低氮化物材料的位错密度；第二个方面在于蓝宝石图案阵列能够起到光栅的作用，可以实现对高折射率、多光学界面体系的光子散射操控，提高紫外LED芯片的光提取效率。但是，对于AlGaN基紫外LED芯片，图案化蓝宝石衬底却失去了这些优势。一方面，金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法外延生长AlGaN材料时，Al活性原子与Al₂O₃的黏附系数要比Ga活性原子与Al₂O₃的黏附系数大，且Al吸附原子的迁移率更低。在图案化蓝宝石衬底上生长AlGaN时，AlGaN会黏附在蓝宝石图案的侧壁生长，形成的附生晶体与在蓝宝石c面生长的AlGaN存在较大的取向失配，导致AlGaN薄膜中位错密度增加。

为了解决图案化蓝宝石衬底在紫外LED芯片中应用的局限性，周圣军研究小组产生了采用其他材料的图案阵列替换蓝宝石图案阵列的想法。新的图案阵列不仅要抑制AlGaN材料在图案侧壁生长，而且还应与AlGaN材料有更大的折射率差，以获得更高的光提取效率。根据以上原则，周圣军研究小组设计和制造了图案化二氧化硅阵列衬底，并采用MOCVD在其上外延生长InGaN/AlGaN紫外LED。相比传统的图案化蓝宝石衬底，这种新型衬底能够抑制AlGaN在图案侧壁的生长，从而能够充分的发挥横向外延生长的优势，降低AlGaN材料的位错密度。而且，二氧化硅材料的折射率比蓝宝石低，AlGaN与二氧化硅的高折射率差可以反射更多的光进入芯片上表面的逃逸光锥；二氧化硅与空气的低折射率差又可以增强芯片下表面的透射率。这种新型图形衬底能够更有效的将来自有源区的光耦合进入紫外LED芯片上下表面的逃逸光锥，提高紫外LED芯片的光提取效率。

该项研究课题得到国家自然科学基金面上项目和湖北省杰出青年基金项目（51675386，2018CFA091）的资助。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519311437