近日，《納米快報》（NanoLetters）在線發表了武漢大學動力與機械學院半導體新型顯示器件研究所周圣軍課題組在超薄極化隧道結深紫外發光二極管（Light-emitting Diodes，LEDs）芯片研究取得的新進展。論文題目為“AlGaN Polarized Ultrathin Tunneling Junction Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes”（AlGaN基超薄極化隧道結深紫外LED）。武漢大學動力與機械學院博士生張子琦為論文的第一作者，周圣軍為論文的通訊作者，武漢大學為論文的第一作者和通訊作者單位。

隨著聯合國通過《水俁公約》，汞燈的生產和使用逐漸受到限制，發展替代傳統氣態汞燈的新型深紫外光源成為迫切需求。與傳統汞燈相比，發光波長在210 nm-300 nm之間的AlGaN基深紫外LED芯片具有節能、環保、體積小、易集成、響應快、壽命長、波長可調等諸多優點，在殺菌消毒、紫外光療、水凈化、空間探測和集成電路光刻等領域有廣泛的應用價值，已成為世界科技強國關注的熱點。然而，傳統p-GaN接觸層對深紫外光具有強烈的吸收作用，大部分深紫外光在內部多次反射過程中被p-GaN吸收，導致深紫外LED芯片的電光轉換效率低。因此，開發一種對深紫外光透過率高的接觸層代替傳統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。

周圣軍課題組將深紫外光透過率高的AlGaN基超薄極化隧道結接觸層和LED外延結構相結合，采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）方法外延生長厚度為22nm的AlGaN基超薄極化隧道結接觸層（p+-Al0.55Ga0.45N/i-Al0.65Ga0.35N/n+-Al0.55Ga0.45N）取代傳統的p-GaN接觸層，降低器件電壓損失、吸光損耗，使深紫外LED芯片的電光轉換效率提升了40%。AlGaN基超薄極化隧道結深紫外LED芯片的工作原理為：在反向偏置電壓下，超薄極化隧道結中p+-Al0.55Ga0.45N價帶中的電子由于量子隧穿效應通過勢壘區注入到n+-Al0.55Ga0.45N導帶中；與此同時，在p+-Al0.55Ga0.45N價帶中形成的空穴向左注入到多量子阱有源區中，與電子發生輻射復合產生深紫外光。超薄極化隧道結中2nm厚的本征Al0.65Ga0.35N插入層在異質界面產生的極化電荷可以誘導極化電場，實現對隧道結內耦合電場的調控，促進載流子在垂直方向的隧穿注入，提高非平衡條件下多量子阱有源區中的空穴濃度。此外，本征Al0.65Ga0.35N插入層的體電阻有效阻擋了電流垂直注入的路徑，使注入電流沿器件水平方向擴展，有效解決了電流聚集問題，增強了深紫外LED芯片的可靠性。在85°C/85%相對濕度條件下采用100mA注入電流點亮1000小時之后（加速壽命試驗），深紫外LED芯片的光衰小于15%。AlGaN基超薄極化隧道結接觸層為突破深紫外LED芯片的能效瓶頸提供了一種創新發展路徑。

圖1AlGaN基超薄極化隧道結深紫外LED芯片

該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃的支持。