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武漢大學周圣軍教授團隊深紫外和全光譜LED芯片取得新進展
武漢大學校動力與機械學院周圣軍教授團隊在發(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(diào)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(lǐng)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(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。隧道結(jié)是一種重摻雜的p+-n+結(jié)半導體結(jié)構(gòu)，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(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題。
周圣軍團隊在深紫外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，利用AlGaN基超薄隧道結(jié)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(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(shù)支持。
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。
2.能帶工程異質(zhì)外延生長實現(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(diào)。隨著LED技術(shù)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(zhì)，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。
周圣軍團隊開發(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(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計，調(diào)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(diào)控。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(diào)控III族氮化物激發(fā)源的量子阱組分和量子勢壘厚度，周圣軍教授團隊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(zhì)影響，并基于單片集成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(chǔ)和技術(shù)支撐。
這一成果近期發(fā)表于Laser & Photonics Reviews，論文題目為“Monolithically Integrating III-Nitride Quantum Structure for Full-Spectrum White LEDvia Bandgap Engineering Heteroepitaxial Growth”（能帶工程異質(zhì)外延生長實現(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，周圣軍教授為文章通訊作者，武漢大學為文章通訊作者單位。該工作得到了國家自然科學基金項目、國家重點研發(fā)計劃和國家青年拔尖人才計劃支持。
