武汉大学在深紫外与开发晶在全光谱LED芯片取得新进展

近日，光学领域权威期刊Laser & Photonics Reviews（《激光与光子学评论》，影响因子:11）刊发了我院周圣军教授团队在发光二极管（Light-emitting Diodes，LEDs）芯片研究领域的最新研究成果。

1.大功率AlGaN基超薄隧道结深紫外LED芯片

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、水净化和光电探测等领域有广泛的应用价值。

然而，目前深紫外LED芯片的p-GaN接触层对深紫外光有强烈的吸收损耗，导致器件的光提取效率低。因此，开发一种低阻和高深紫外透光性的接触层代替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。隧道结是一种重掺杂的p+-n+结半导体结构，在外加电压作用下，p区价带电子可以穿过禁带进入n区导带。将AlGaN基隧道结和深紫外LED相结合，有助于解决目前深紫外LED存在的光提取效率低的问题。

图：大功率AlGaN基超薄隧道结深紫外LED芯片结构、晶圆片、灯珠和手提式杀菌光源示意图

周圣军团队在深紫外LED中引入了AlGaN基超薄隧道结（26 nm），最大限度地减少AlGaN基隧道结的体电阻，使发光波长为275 nm的大功率超薄隧道结深紫外LED芯片的正向电压从8.2 V降至5.7 V。同时，利用AlGaN基超薄隧道结对深紫外光的高透光性，降低了接触层的吸光损耗，使AlGaN基超薄隧道结深紫外LED芯片的电光转换效率相比于采用p-GaN接触层的深紫外LED芯片提升了5.5%。集成超薄隧道结深紫外LED芯片阵列的深紫外光源在表面灭活实验中表现出优异的杀菌性能，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和技术支持。

表：集成超薄隧道结深紫外LED芯片阵列的深紫外光源对多种病原微生物的杀灭效果

这一成果于2023年8月25日在线发表于Laser & Photonics Reviews。论文题目为“High-Power AlGaN-Based Ultrathin Tunneling Junction Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes”（大功率AlGaN基超薄隧道结深紫外LED）。周圣军教授为该论文的通讯作者和第一作者，武汉大学为第一署名单位。该工作得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、国家青年拔尖人才计划和宁波安芯美半导体有限公司的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202300464

2.能带工程异质外延生长实现单片集成III族氮化物量子结构的全光谱白光LED

太阳光是最重要的自然光源，不仅能为地球提供能量和照明来源，还能通过视觉和非视觉的影响，不同程度地影响人类的身体和心理。太阳光的光谱被称作全光谱，波长覆盖所有可见光区域，光谱中各段波长没有明显波峰与波谷，且光谱比例均匀无严重失调。随着LED技术的发展，制造与太阳光谱接近的白光LED已经成为近几年的研究热点。一方面，与传统白光LED相比，全光谱白光LED具有高的光照品质，可以准确还原物体的真实色彩，另一方面，全光谱白光LED通过模拟接近太阳光光谱，降低了蓝光危害的风险，提高了照明应用的舒适性。

图：基于单片集成III族氮化物量子结构制备的全光谱白光LED的暖白/冷白光发射光谱

开发晶照明（厦门）有限公司和周圣军教授团队开发了一种由单片集成III族氮化物量子结构作为激发源实现全光谱白光LED的方法，利用能带工程对激发源的外延结构参数进行设计，调控量子阱中的载流子输运行为，实现对发光波长及发光强度的调控。发现与单波长激发源相比，利用集成三波长芯片激发红绿荧光粉的全光谱白光LED中蓝光部分的强度明显降低，发射光谱连续。通过调控III族氮化物激发源的量子阱组分和量子势垒厚度，研究了不同波长间隔和相对强度对全光谱白光LED的光照品质影响。

基于单片集成III族氮化物量子结构制备的全光谱白光LED，同时实现了高于97/98的显色指数，高于120/140 lm/W发光效率以及高色彩还原度的暖白/冷白光发射，为高效率、高显色能力、低蓝光的健康照明提供了理论基础和技术支撑。论文实验工作在开发晶照明（厦门）有限公司完成，理论建模仿真工作在武汉大学完成。

这一成果于近期发表于Laser & Photonics Reviews。论文题目为“Monolithically Integrating III-Nitride Quantum Structure for Full-Spectrum White LED via Bandgap Engineering Heteroepitaxial Growth”（能带工程异质外延生长实现单片集成III族氮化物量子结构的全光谱白光LED）。

开发晶照明（厦门）有限公司樊本杰和动力与机械学院博士生赵晓宇为文章共同第一作者，文章通讯作者为周圣军教授，开发晶照明（厦门）有限公司为文章第一单位，武汉大学为文章通讯作者单位。开发晶照明（厦门）有限公司已获得全光谱LED芯片相关技术的独家专利授权。该工作得到了开发晶照明（厦门）有限公司、国家自然科学基金项目、国家重点研发计划和国家青年拔尖人才计划支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202200455