近日，光學領域權威期刊Laser & Photonics Reviews（《激光與光子學評論》，影響因子:11）刊發(fā)了我院周圣軍教授團隊在發(fā)光二極管（Light-emitting Diodes，LEDs）芯片研究領域的最新研究成果。

1.大功率AlGaN基超薄隧道結深紫外LED芯片

隨著聯(lián)合國通過《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、響應快、壽命長、波長可調等諸多優(yōu)點，在殺菌消毒、紫外光療、水凈化和光電探測等領域有廣泛的應用價值。

然而，目前深紫外LED芯片的p-GaN接觸層對深紫外光有強烈的吸收損耗，導致器件的光提取效率低。因此，開發(fā)一種低阻和高深紫外透光性的接觸層代替p-GaN接觸層，是進一步提升深紫外LED芯片電光轉換效率的關鍵。隧道結是一種重摻雜的p+-n+結半導體結構，在外加電壓作用下，p區(qū)價帶電子可以穿過禁帶進入n區(qū)導帶。將AlGaN基隧道結和深紫外LED相結合，有助于解決目前深紫外LED存在的光提取效率低的問題。

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

周圣軍團隊在深紫外LED中引入了AlGaN基超薄隧道結（26 nm），最大限度地減少AlGaN基隧道結的體電阻，使發(fā)光波長為275 nm的大功率超薄隧道結深紫外LED芯片的正向電壓從8.2 V降至5.7 V。同時，利用AlGaN基超薄隧道結對深紫外光的高透光性，降低了接觸層的吸光損耗，使AlGaN基超薄隧道結深紫外LED芯片的電光轉換效率相比于采用p-GaN接觸層的深紫外LED芯片提升了5.5%。集成超薄隧道結深紫外LED芯片陣列的深紫外光源在表面滅活實驗中表現(xiàn)出優(yōu)異的殺菌性能，為開發(fā)用于生物醫(yī)學測試、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支持。

表：集成超薄隧道結深紫外LED芯片陣列的深紫外光源對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，武漢大學為第一署名單位。該工作得到了國家自然科學基金項目、國家重點研發(fā)計劃、國家青年拔尖人才計劃和寧波安芯美半導體有限公司的支持。

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

2.能帶工程異質外延生長實現(xiàn)單片集成III族氮化物量子結構的全光譜白光LED

太陽光是最重要的自然光源，不僅能為地球提供能量和照明來源，還能通過視覺和非視覺的影響，不同程度地影響人類的身體和心理。太陽光的光譜被稱作全光譜，波長覆蓋所有可見光區(qū)域，光譜中各段波長沒有明顯波峰與波谷，且光譜比例均勻無嚴重失調。隨著LED技術的發(fā)展，制造與太陽光譜接近的白光LED已經(jīng)成為近幾年的研究熱點。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，可以準確還原物體的真實色彩，另一方面，全光譜白光LED通過模擬接近太陽光光譜，降低了藍光危害的風險，提高了照明應用的舒適性。

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

開發(fā)晶照明（廈門）有限公司和周圣軍教授團隊開發(fā)了一種由單片集成III族氮化物量子結構作為激發(fā)源實現(xiàn)全光譜白光LED的方法，利用能帶工程對激發(fā)源的外延結構參數(shù)進行設計，調控量子阱中的載流子輸運行為，實現(xiàn)對發(fā)光波長及發(fā)光強度的調控。發(fā)現(xiàn)與單波長激發(fā)源相比，利用集成三波長芯片激發(fā)紅綠熒光粉的全光譜白光LED中藍光部分的強度明顯降低，發(fā)射光譜連續(xù)。通過調控III族氮化物激發(fā)源的量子阱組分和量子勢壘厚度，研究了不同波長間隔和相對強度對全光譜白光LED的光照品質影響。

基于單片集成III族氮化物量子結構制備的全光譜白光LED，同時實現(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、低藍光的健康照明提供了理論基礎和技術支撐。論文實驗工作在開發(fā)晶照明（廈門）有限公司完成，理論建模仿真工作在武漢大學完成。

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”（能帶工程異質外延生長實現(xiàn)單片集成III族氮化物量子結構的全光譜白光LED）。

開發(fā)晶照明（廈門）有限公司樊本杰和動力與機械學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，開發(fā)晶照明（廈門）有限公司為文章第一單位，武漢大學為文章通訊作者單位。開發(fā)晶照明（廈門）有限公司已獲得全光譜LED芯片相關技術的獨家專利授權。該工作得到了開發(fā)晶照明（廈門）有限公司、國家自然科學基金項目、國家重點研發(fā)計劃和國家青年拔尖人才計劃支持。

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