新闻网讯（通讯员周圣军）近日，《纳米快报》（NanoLetters）在线发表了武汉大学动力与机械学院半导体新型显示器件研究所周圣军课题组在超薄极化隧道结深紫外发光二极管（Light-emitting Diodes，LEDs）芯片研究取得的新进展。论文题目为“AlGaN Polarized Ultrathin Tunneling Junction Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes”（AlGaN基超薄极化隧道结深紫外LED）。武汉大学动力与机械学院博士生张子琦为论文的第一作者，周圣军为论文的通讯作者，武汉大学为论文的第一作者和通讯作者单位。
随着联合国通过《水俣公约》，汞灯的生产和使用逐渐受到限制，发展替代传统气态汞灯的新型深紫外光源成为迫切需求。与传统汞灯相比，发光波长在210 nm-300 nm之间的AlGaN基深紫外LED芯片具有节能、环保、体积小、易集成、响应快、寿命长、波长可调等诸多优点，在杀菌消毒、紫外光疗、水净化、空间探测和集成电路光刻等领域有广泛的应用价值，已成为世界科技强国关注的热点。然而，传统p-GaN接触层对深紫外光具有强烈的吸收作用，大部分深紫外光在内部多次反射过程中被p-GaN吸收，导致深紫外LED芯片的电光转换效率低。因此，开发一种对深紫外光透过率高的接触层代替传统p-GaN接触层，是进一步提升深紫外LED芯片电光转换效率的关键。
周圣军课题组将深紫外光透过率高的AlGaN基超薄极化隧道结接触层和LED外延结构相结合，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法外延生长厚度为22nm的AlGaN基超薄极化隧道结接触层（p+-Al0.55Ga0.45N/i-Al0.65Ga0.35N/n+-Al0.55Ga0.45N）取代传统的p-GaN接触层，降低器件电压损失、吸光损耗，使深紫外LED芯片的电光转换效率提升了40%。AlGaN基超薄极化隧道结深紫外LED芯片的工作原理为：在反向偏置电压下，超薄极化隧道结中p+-Al0.55Ga0.45N价带中的电子由于量子隧穿效应通过势垒区注入到n+-Al0.55Ga0.45N导带中；与此同时，在p+-Al0.55Ga0.45N价带中形成的空穴向左注入到多量子阱有源区中，与电子发生辐射复合产生深紫外光。超薄极化隧道结中2nm厚的本征Al0.65Ga0.35N插入层在异质界面产生的极化电荷可以诱导极化电场，实现对隧道结内耦合电场的调控，促进载流子在垂直方向的隧穿注入，提高非平衡条件下多量子阱有源区中的空穴浓度。此外，本征Al0.65Ga0.35N插入层的体电阻有效阻挡了电流垂直注入的路径，使注入电流沿器件水平方向扩展，有效解决了电流聚集问题，增强了深紫外LED芯片的可靠性。在85°C/85%相对湿度条件下采用100mA注入电流点亮1000小时之后（加速寿命试验），深紫外LED芯片的光衰小于15%。AlGaN基超薄极化隧道结接触层为突破深紫外LED芯片的能效瓶颈提供了一种创新发展路径。
图1AlGaN基超薄极化隧道结深紫外LED芯片
该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c05443
（供图：动力与机械学院 编辑：张丽平）
