新闻网讯10月10日，《纳米•能源》（Nano Energy, IF:15.548）刊发武汉光电国家研究中心陈长清教授、高义华教授、戴江南研究员与河北工业大学张紫辉教授和中国科学技术大学孙海定研究员合作研究成果：单片集成光电倍增转换器的半导体深紫外发光二极管芯片“Monolithic integration of deep ultraviolet LED with a multiplicative photoelectric converter”。戴江南研究员为通讯作者，武汉光电国家研究中心王帅博士、博士生龙瀚凌为论文共同第一作者，华中科技大学为论文第一作者单位。该项研究是国际上首次将单片集成技术应用在深紫外发光二极管（DUV LED: deep ultraviolet LED）芯片领域，并获得了目前国际上DUV LED芯片最高电光转换效率值21.6%，为实现高效DUV LED发光提供了重要的新思路。

半导体深紫外LED，作为传统深紫外光源汞灯的迭代品，具有节能、环保、便携、寿命长等优点，在医用光疗、杀菌消毒、空气净化、保密通讯、气体检测等方面有着巨大的应用前景。然而，目前其电光转换效率（或插墙效率WPE: Wall Plug Efficiency）普遍小于10%，严重限制了该技术的实际应用和商业化进程，如何提升DUV LED效率成为当前国际上一大难题。其中，低的载流子注入效率是阻碍深紫外LED芯片电光转换效率提高的重要因素，这主要是源于铝镓氮（AlGaN）材料中镁（Mg）杂质的高激活能、空穴的低迁移率和注入效率。日本理化学研究所H.Hirayama等人的研究团队提出了电子阻挡层来抑制电子的泄漏（Hirayama et al., Appl. Phys. Express 3, 031002, 2010），德国柏林工业大学C.Kuhn等人的研究团队提出使用隧穿结来代替P型铝镓氮层来提高空穴的注入效率（Kuhn et al., Photonics Research 7, 2019）。然而，这些方法得到的载流子注入效率仍不是很可观。因此，亟待引进一种新型技术来解决这一国际性难题。

陈长清、戴江南团队自2008年加入华中科技大学武汉光电国家研究中心（原武汉光电国家实验室（筹））以来，一直专注于半导体紫外LED发光材料与和芯片器件的研究，前期在AlN（AlGaN）材料外延生长（Opt. Express. 26, 680-686, 2018; Appl. Phys. Lett. 114, 042101, 2019），芯片设计制备（ACS Photonics 5, 3534-3540, 2018；IEEE T. Electron. Dev. 66, 2997-3002, 2019;）和器件工艺（ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 8238-8824, 2018; ACS Appl. Mater. Interfaces 11,19623−19630, 2019）等方面展开了系列探索研究，一直在努力寻找合适的方案来解决深紫外LED芯片电光转换效率低下这一难题。

单片集成技术，是将两个或两个以上器件或功能结构集成在单颗芯片中，并利用它们之间的相互作用提高设备的性能。本质上，这种系统级的创新能构建一个新的器件环境，实现“片上系统”。陈长清、戴江南科研团队提出了引入单片集成技术的新思路，将p-i-n氮化镓探测结构原位生长在深紫外LED外延结构上（MPC-DUV LED：Monolithic integration of deep ultraviolet LED），实现具有载流子循环注入、光倍增放大功能的芯片器件，如图1所示。

图1 集成p-i-n结构的深紫外LED芯片原理图

武汉光电国家研究中心陈长清、戴江南团队的科研人员通过长时间的调研和探索，创新性地将p-i-n的探测结构应用在深紫外LED芯片中，可以将量子阱有源区所发射的280 nm以下的深紫外光吸收，并转换为新的电子空穴对。在外加高电压的作用下，产生的电子空穴对发生分离，空穴载流子在电场作用下向量子阱方向漂移，并重新注入到量子阱中，如图1（c）所示。

研究发现，在小电流下，传统DUV LED芯片是电流驱动的工作模式，其出光功率呈线性增长。与之不同的是，MPC-DUV LED芯片是电压驱动的工作模式，其出光功率呈指数型增长。如图2所示，A点所对应的光谱积分得到其真实功率为33.0 μW。对于传统DUV LED，其工作电压和电流分别是4.88 V和1.87 mA，而相对的MPC-DUV LED其工作电压和电流分别为19.5 V和7.85 μA，两种DUV LED的电光转换效率（出光功率/注入的电功率）分别为0.36%和21.6%，相差达60倍。

图2 传统DUV LED和MPC-DUV LED芯片的电致发光光谱测试图

研究进一步揭示了小电流下MPC-DUV LED芯片获得超高转换效率的机理。通过APSYS仿真计算，i-GaN层中的电场可达5×106 V/cm，超过氮化镓材料中盖革模式的阈值电场（2.4~2.8×106 V/cm），因而有极大的概率在耗尽层中发生碰撞电离，获得几十乃至上百倍的高增益，从而实现空穴载流子数量级的提高。整个光电循环的过程如图3（b）中所展示的那样，量子阱中电子和空穴发生复合发光，一部分深紫外光子从器件底部逃逸出去，另一部分光子进入到MPC结构中被吸收，高能量的深紫外光子激发氮化镓材料产生相应的电子空穴对，并在外加电压的情况下发生分离，空穴在耗尽区强电场的作用下发生碰撞电离，多次倍增后重新注入到量子阱中，与量子阱中原有的电子发生新的辐射复合，如此循环，最终大幅提高了载流子注入效率。

图3 p-i-n结构的电场示意图和深紫外光倍增放大的原理图

综上所述，本工作创新性地引入单片集成技术的新思路，将p-i-n氮化镓探测结构原位生长在深紫外LED外延结构上，实现了载流子循环注入、光倍增放大的功能芯片器件，为高效深紫外发光材料的研究提供了一种可能新途径。

该论文工作与河北工业大学张紫辉教授、中国科技大学孙海定教授、武汉光电国家研究中心高义华教授合作完成，他们分别提供了理论计算、材料表征、分析讨论等方面的支持；研究得到了国家重点研发计划课题（No. 2018YFB0406602,No.2016YFB0400901,No.2016YFB0400804），上海技术物理研究所开放课题（No. IIMDKFJJ-17-09），国家自然科学基金面上项目（No. 11574166, 61377034, 61774065）等资助支持。此外，感谢美国密歇根大学的Prof. Zetian Mi的有益讨论。在此一并表示感谢。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104181