近期，中國科大微電子學院孫海定和龍世兵課題組關于利用藍寶石襯底斜切角調控量子阱實現三維載流子束縛，突破了紫外LED發光性能的重要進展。相關研究以“Unambiguously Enhanced Ultraviolet Luminescence of AlGaN Wavy Quantum Well Structures Grown on Large Misoriented Sapphire Substrate”為題發表在《先進功能材料》。

雖然紫外線在太陽光中能量占比僅5%，但在人類生活中應用廣泛。目前，紫外光廣泛應用于水凈化、光固化和殺菌消毒等領域。傳統的紫外光源一般是采用汞蒸氣放電的激發態來產生紫外線，有著發熱量大、功耗高、反應慢、壽命短和安全隱患等諸多缺陷。而新型的深紫外光源則采用發光二極管（LED）發光原理，相對于傳統的汞燈擁有諸多的優點。其中，最為重要的優勢在于其不含有毒汞元素。《水俁公約》的實施，預示2020年將全面禁止含有汞元素紫外燈的使用。因此，開發出一種全新的環保、高效紫外光源，成為了擺在人們面前的一項重要挑戰。

由此，基于寬禁帶半導體材料（氮化鎵、氮化鎵鋁）的深紫外發光二極管（UV LED）成為這一新應用的不二選擇。這一全固態光源體系效率高、體積小、壽命長，而且不過是拇指蓋大小的芯片，就能發出比汞燈還要強的紫外光。這里面的奧秘主要取決于III族氮化物這種直接帶隙半導體材料：導帶上的電子與價帶上的空穴復合時，產生光子。光子的能量則取決于材料的禁帶寬度，所以科學家們可以通過調節氮化鎵鋁（AlGaN）這種三元化合物中的元素組分來實現不同波長的發光。但是，要想實現UV LED的高效發光并不總是那么簡單的事情。科學家們發現當電子和空穴復合時，并不總是一定產生光子，這一效率被稱之為內量子效率(IQE)。

中科大微電子學院孫海定和龍世兵教授的課題組巧妙通過調控藍寶石襯底的斜切角，大幅提升紫外LED的IQE和器件發光功率。他們的課題組發現當提高襯底的斜切角時，UV LED內部的位錯得到明顯抑制，器件發光D的強度明顯提高。當斜切角襯底達到4度時，器件熒光光譜的強度提升了一個數量級，而內量子效率也達到了破紀錄的90%以上。

圖：在0.2和4度斜切角藍寶石襯底上制備的深紫外LED光致發光光譜和器件示意圖，有源區透射電子顯微鏡展示了高分辨多量子阱結構圖，和輸出功率的對比圖。

此項研究將會為高效率的全固態紫外光源的研發提供新的思路。這種思路無需昂貴的圖形化襯底，也不需要復雜的外延生長工藝。而僅僅依靠襯底的斜切角的調控和外延生長參數的匹配和優化，就有望將紫外LED的發光特性提高到與藍光LED相媲美的高度，為高功率深紫外LED的大規模應用奠定實驗和理論基礎。

中國科大微電子學院孫海定研究員為論文的第一作者和共同通訊作者。該項目聯合中國科學院寧波材料所郭煒和葉繼春研究員，華中科技大學戴江南和陳長清教授，河北工業大學張紫輝教授，沙特阿卜杜拉國王科技大學Boon Ooi和Iman Roqan教授一起攻關完成。該研究工作得到了國家自然科學基金委、中科院、中國科大等單位的支持。部分樣品加工工藝在中國科大微納研究與制造中心完成。論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201905445