近日，国际期刊《微系统与纳米工程》（Microsystems & Nanoengineering）在线发表了武汉大学动力与机械学院周圣军课题组在第三代半导体深紫外发光二极管（Light-emitting Diodes，LEDs）芯片研究方面取得的新成果。论文题目为“Highly efficient AlGaN-based deep-ultraviolet light-emitting diodes: from bandgap engineering to device craft”（高性能AlGaN基深紫外LED：从能带工程到器件工艺）。动力与机械学院博士生刘旭和吕振兴为论文的共同第一作者，周圣军教授为论文的通讯作者，武汉大学为第一署名单位。

深紫外消毒作为最广泛应用的物理消毒方法，主要利用200—280 nm波段的深紫外光破坏微生物的DNA及RNA结构，从而达到病菌灭活效果。第三代半导体（GaN, AlN, AlGaN）是深紫外光源、半导体照明、新型显示、电力电子器件的核心材料。近年来，AlGaN基深紫外LED以其寿命长、效率高、能耗低、适应性强、稳定性高、响应速度快等优点，迅速成为替代汞灯的理想深紫外光源。目前AlGaN基深紫外LED芯片的辐射复合效率和光提取效率的提升存在瓶颈。首先，AlGaN量子阱内部受因极化电场而产生的量子限制斯塔克效应，致使电子和空穴的波函数在实空间的分离，降低了辐射复合效率。此外，AlGaN量子阱发射的深紫外光主要以横向传播的横磁（TM）偏振光为主，导致深紫外LED芯片的光提取效率低，进而限制了其光输出功率的进一步提升。

AlGaN基深紫外LED芯片的电致发光特性和光强分布图

为了解决上述问题，周圣军课题组在深紫外LED结构中引入阶梯形量子阱和SiO₂插入层结构。通过引入阶梯形量子阱结构能够抑制AlGaN基深紫外LED有源区中的量子限制斯塔克效应，增加电子和空穴波函数的重叠积分，提高载流子的辐射复合效率。利用AlGaN与SiO₂材料的折射率差异使沿横向传播的TM偏振光在SiO₂插入层的内表面发生反射和折射，最终从蓝宝石衬底出射到空气中，从而提升深紫外LED芯片的光提取效率。这种融合了能带工程和器件工艺的设计思路使得AlGaN基深紫外LED的外量子效率提升了4.5倍，为开发用于生物医学测试、空气和水净化以及杀菌消毒的大功率深紫外光源提供了理论指导和技术支撑。

该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和宁波安芯美半导体有限公司的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41378-024-00737-x