?近日，河北工業(yè)大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)楚春雙副教授、張勇輝教授、張紫輝教授團(tuán)隊聯(lián)合中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所閆建昌研究員團(tuán)隊，在深紫外發(fā)光二極管（DUV LED）效率提升方面取得重要進(jìn)展。他們創(chuàng)新性地提出并實(shí)現(xiàn)了“光子輔助空穴再生器”結(jié)構(gòu)，成功將原本無法逸出芯片的紫外光子轉(zhuǎn)化為可利用的空穴。再生空穴減小了金屬/半導(dǎo)體界面的空穴耗盡效應(yīng)，降低了金屬/半導(dǎo)體界面電阻，再生空穴注入到有源區(qū)，促進(jìn)了輻射復(fù)合率，因此研制的器件顯著提升了電光轉(zhuǎn)換效率（WPE）。相關(guān)研究成果以“Integrating a photon-assisted hole regenerator into AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting diodes to boost the wall-plug efficiency”為題，發(fā)表在工程電子學(xué)頂級期刊《IEEE Electron Device Letters》。
AlGaN基DUV LED在殺菌消毒、紫外固化、高速通信等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，被視為替代含汞紫外光源的環(huán)保方案。然而，受限于材料特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計，超過50%的紫外光子被限制在芯片內(nèi)部無法逸出（光提取效率低）；另外，p型AlGaN層空穴濃度低、遷移率差，導(dǎo)致空穴注入效率不足和電流擁擠。這兩大問題嚴(yán)重制約了器件電光轉(zhuǎn)換效率（WPE）。傳統(tǒng)方案多聚焦于分別優(yōu)化光提取結(jié)構(gòu)和外延層結(jié)構(gòu)以提升光子逃逸率和空穴注入，其往往存在設(shè)計復(fù)雜、效果有限且無法同時兼顧的問題。
楚春雙副教授、張勇輝教授、張紫輝教授、閆建昌研究員團(tuán)隊獨(dú)辟蹊徑，提出利用光子轉(zhuǎn)化再生作用，將“有害”的光吸收效應(yīng)首先轉(zhuǎn)化為“有益”的載流子，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成可逃離光子的新思路。他們創(chuàng)新性的集成基于n-ZnO/p-GaN柱狀PN結(jié)的光子輔助空穴再生功能集成于DUV LED中。該結(jié)構(gòu)巧妙利用反射偏置的n-ZnO/p-GaN PN結(jié)吸收無法逃逸的紫外光子（~280 nm），使光能轉(zhuǎn)化成電子空穴對。同時，在反向電場作用下，新生的電子空穴對被有效分離。而分離的空穴再次注入到金屬/半導(dǎo)體界面和有源區(qū)，一方面減小了金屬/半導(dǎo)體界面的空穴耗盡效應(yīng)，降低了金屬/半導(dǎo)體界面電阻，同時再生空穴注入到有源區(qū)，通過輻射復(fù)合再次轉(zhuǎn)換成可逃離的光子。此結(jié)構(gòu)通過光子轉(zhuǎn)化再生作用，提升了空穴濃度及注入效率并能提高光提取效率。該工作拓寬了光電集成器件的光子循環(huán)利用研究，系統(tǒng)論證了光吸收在提升器件效率中的“正向”作用，顛覆了深紫外發(fā)光器件中光吸收即損耗的傳統(tǒng)觀念，為提高深紫外器件中的載流子注入效率和光提取效率提供了一種新的理論與解決思路。
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圖1 (a)?器件A的SEM俯視及顯微照片；(b)?臺面區(qū)域的SEM放大圖；(c)?包含Al/Au/Ni/ZnO層與p型區(qū)域的截面STEM圖；(d) n-ZnO/p-GaN界面的STEM高倍放大圖；(e1) 和 (e2)?分別為Zn元素和Ga元素的EDS面分布圖；(f)?有無n-ZnO層的DUV LED晶圓的透過率光譜；(g)?有無n-ZnO層的DUV LED晶圓的光致發(fā)光（PL）光譜；(h)?有無n-ZnO層的DUV LED樣品的時間分辨光致發(fā)光（TRPL）曲線。
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圖2?(a)?器件A與R的實(shí)測電流-電壓特性曲線；(b)?器件A與R的理想因子隨注入電流的變化關(guān)系；(c) 在20 mA注入電流下，p-GaN層中空穴濃度的計算結(jié)果。
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圖3 (a)?器件A與R的實(shí)測電致發(fā)光（EL）光譜；(b)?器件A與R的外量子效率（EQE）、光輸出功率及歸一化WPE實(shí)測結(jié)果；(c)?在20 mA注入電流下，器件A與R的有源區(qū)及p型區(qū)空穴濃度計算分布；(d)?與 (e)?分別為器件A和器件R在TE偏振光下的XY截面電場分布圖；(f)?兩種器件輻射到空氣中的TE偏振光強(qiáng)度一維分布對比。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，集成該光子轉(zhuǎn)化再生器結(jié)構(gòu)的器件（Device A）相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)器件（Device R）實(shí)現(xiàn)了全方位性能提升：在70 mA工作電流下，光輸出功率顯著提升41%，核心指標(biāo)WPE大幅提升44%；同時，器件工作電壓有效降低，熱衰減效應(yīng)得到抑制，證實(shí)了空穴注入的改善；物理機(jī)制分析進(jìn)一步顯示，p-GaN層和有源區(qū)的空穴濃度顯著提高，并且器件的反向漏電流降低，理想因子得到改善，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)在優(yōu)化載流子輸運(yùn)和抑制缺陷相關(guān)復(fù)合方面的優(yōu)勢。該研究首次將光子回收概念成功應(yīng)用于AlGaN基DUV LED領(lǐng)域，突破了傳統(tǒng)依賴提升光提取結(jié)構(gòu)和p型摻雜效率的局限，為解決DUV LED長期面臨的空穴注入效率低和光子限制問題提供了一種高效、可行的新策略。這種“變廢為寶”的方法，不僅顯著提升了器件性能，也拓展了光子回收技術(shù)在寬禁帶半導(dǎo)體光電器件中的應(yīng)用前景。值得關(guān)注的是，該創(chuàng)新技術(shù)已在深紫外行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)山西中科潞安紫外光電科技有限公司開展試點(diǎn)應(yīng)用。
河北工業(yè)大學(xué)劉建宇碩士和廣東工業(yè)大學(xué)楚春雙副教授為論文共同第一作者，河北工業(yè)大學(xué)張勇輝教授和廣東工業(yè)大學(xué)張紫輝教授為共同通訊作者。合作單位還包括中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所劉乃鑫副研究員、閆建昌研究員團(tuán)隊等。
本研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（編號：2022YFB3605100）和山西省區(qū)域重點(diǎn)基金（編號：202404041101049）的資助。