近日，光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊Laser & Photonics Reviews（《激光與光子學(xué)評(píng)論》，影響因子:11）刊發(fā)了我院周圣軍教授團(tuán)隊(duì)在發(fā)光二極管（Light-emitting Diodes，LEDs）芯片研究領(lǐng)域的最新研究成果。

1.大功率AlGaN基超薄隧道結(jié)深紫外LED芯片

隨著聯(lián)合國(guó)通過(guò)《水俁公約》，汞燈的生產(chǎn)和使用逐漸受到限制，發(fā)展替代傳統(tǒng)氣態(tài)汞燈的新型深紫外光源成為迫切需求。與傳統(tǒng)汞燈相比，發(fā)光波長(zhǎng)在210 nm-300 nm之間的AlGaN基深紫外LED芯片具有節(jié)能、環(huán)保、體積小、易集成、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、波長(zhǎng)可調(diào)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在殺菌消毒、紫外光療、水凈化和光電探測(cè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

然而，目前深紫外LED芯片的p-GaN接觸層對(duì)深紫外光有強(qiáng)烈的吸收損耗，導(dǎo)致器件的光提取效率低。因此，開(kāi)發(fā)一種低阻和高深紫外透光性的接觸層代替p-GaN接觸層，是進(jìn)一步提升深紫外LED芯片電光轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。隧道結(jié)是一種重?fù)诫s的p+-n+結(jié)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在外加電壓作用下，p區(qū)價(jià)帶電子可以穿過(guò)禁帶進(jìn)入n區(qū)導(dǎo)帶。將AlGaN基隧道結(jié)和深紫外LED相結(jié)合，有助于解決目前深紫外LED存在的光提取效率低的問(wèn)題。

圖：大功率AlGaN基超薄隧道結(jié)深紫外LED芯片結(jié)構(gòu)、晶圓片、燈珠和手提式殺菌光源示意圖

周圣軍團(tuán)隊(duì)在深紫外LED中引入了AlGaN基超薄隧道結(jié)（26 nm），最大限度地減少AlGaN基隧道結(jié)的體電阻，使發(fā)光波長(zhǎng)為275 nm的大功率超薄隧道結(jié)深紫外LED芯片的正向電壓從8.2 V降至5.7 V。同時(shí)，利用AlGaN基超薄隧道結(jié)對(duì)深紫外光的高透光性，降低了接觸層的吸光損耗，使AlGaN基超薄隧道結(jié)深紫外LED芯片的電光轉(zhuǎn)換效率相比于采用p-GaN接觸層的深紫外LED芯片提升了5.5%。集成超薄隧道結(jié)深紫外LED芯片陣列的深紫外光源在表面滅活實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的殺菌性能，為開(kāi)發(fā)用于生物醫(yī)學(xué)測(cè)試、空氣和水凈化以及殺菌消毒的大功率深紫外光源提供了理論和技術(shù)支持。

表：集成超薄隧道結(jié)深紫外LED芯片陣列的深紫外光源對(duì)多種病原微生物的殺滅效果

這一成果于2023年8月25日在線發(fā)表于Laser & Photonics Reviews。論文題目為“High-Power AlGaN-Based Ultrathin Tunneling Junction Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes”（大功率AlGaN基超薄隧道結(jié)深紫外LED）。周圣軍教授為該論文的通訊作者和第一作者，武漢大學(xué)為第一署名單位。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家青年拔尖人才計(jì)劃和寧波安芯美半導(dǎo)體有限公司的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202300464

2.能帶工程異質(zhì)外延生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)單片集成III族氮化物量子結(jié)構(gòu)的全光譜白光LED

太陽(yáng)光是最重要的自然光源，不僅能為地球提供能量和照明來(lái)源，還能通過(guò)視覺(jué)和非視覺(jué)的影響，不同程度地影響人類(lèi)的身體和心理。太陽(yáng)光的光譜被稱作全光譜，波長(zhǎng)覆蓋所有可見(jiàn)光區(qū)域，光譜中各段波長(zhǎng)沒(méi)有明顯波峰與波谷，且光譜比例均勻無(wú)嚴(yán)重失調(diào)。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，制造與太陽(yáng)光譜接近的白光LED已經(jīng)成為近幾年的研究熱點(diǎn)。一方面，與傳統(tǒng)白光LED相比，全光譜白光LED具有高的光照品質(zhì)，可以準(zhǔn)確還原物體的真實(shí)色彩，另一方面，全光譜白光LED通過(guò)模擬接近太陽(yáng)光光譜，降低了藍(lán)光危害的風(fēng)險(xiǎn)，提高了照明應(yīng)用的舒適性。

圖：基于單片集成III族氮化物量子結(jié)構(gòu)制備的全光譜白光LED的暖白/冷白光發(fā)射光譜

開(kāi)發(fā)晶照明（廈門(mén)）有限公司和周圣軍教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種由單片集成III族氮化物量子結(jié)構(gòu)作為激發(fā)源實(shí)現(xiàn)全光譜白光LED的方法，利用能帶工程對(duì)激發(fā)源的外延結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，調(diào)控量子阱中的載流子輸運(yùn)行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)光波長(zhǎng)及發(fā)光強(qiáng)度的調(diào)控。發(fā)現(xiàn)與單波長(zhǎng)激發(fā)源相比，利用集成三波長(zhǎng)芯片激發(fā)紅綠熒光粉的全光譜白光LED中藍(lán)光部分的強(qiáng)度明顯降低，發(fā)射光譜連續(xù)。通過(guò)調(diào)控III族氮化物激發(fā)源的量子阱組分和量子勢(shì)壘厚度，研究了不同波長(zhǎng)間隔和相對(duì)強(qiáng)度對(duì)全光譜白光LED的光照品質(zhì)影響。

基于單片集成III族氮化物量子結(jié)構(gòu)制備的全光譜白光LED，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高于97/98的顯色指數(shù)，高于120/140 lm/W發(fā)光效率以及高色彩還原度的暖白/冷白光發(fā)射，為高效率、高顯色能力、低藍(lán)光的健康照明提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。論文實(shí)驗(yàn)工作在開(kāi)發(fā)晶照明（廈門(mén)）有限公司完成，理論建模仿真工作在武漢大學(xué)完成。

這一成果于近期發(fā)表于Laser & Photonics Reviews。論文題目為“Monolithically Integrating III-Nitride Quantum Structure for Full-Spectrum White LED via Bandgap Engineering Heteroepitaxial Growth”（能帶工程異質(zhì)外延生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)單片集成III族氮化物量子結(jié)構(gòu)的全光譜白光LED）。

開(kāi)發(fā)晶照明（廈門(mén)）有限公司樊本杰和動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院博士生趙曉宇為文章共同第一作者，文章通訊作者為周圣軍教授，開(kāi)發(fā)晶照明（廈門(mén)）有限公司為文章第一單位，武漢大學(xué)為文章通訊作者單位。開(kāi)發(fā)晶照明（廈門(mén)）有限公司已獲得全光譜LED芯片相關(guān)技術(shù)的獨(dú)家專(zhuān)利授權(quán)。該工作得到了開(kāi)發(fā)晶照明（廈門(mén)）有限公司、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家青年拔尖人才計(jì)劃支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202200455