近日，光學領域權威期刊Laser & Photonics Reviews（《激光與光子學評論》，影響因子:11）刊發了我校動力與機械學院周聖軍教授團隊在發光二極管（Light-emitting Diodes，LEDs）晶片研究領域的最新研究成果。

1.大功率AlGaN基超薄隧道結深紫外LED晶片

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210nm-300nm之間的AlGaN基深紫外LED晶片具有節能、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、水淨化和光電探測等領域有廣泛的應用價值。然而，目前深紫外LED晶片的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晶片電光轉換效率的關鍵。隧道結是一種重摻雜的p+-n+結半導體結構，在外加電壓作用下，p區價帶電子可以穿過禁帶進入n區導帶。將AlGaN基隧道結和深紫外LED相結合，有助於解決目前深紫外LED存在的光提取效率低的問題。

▲ 大功率AlGaN基超薄隧道結深紫外LED晶片結構、晶圓片、燈珠和手提式殺菌光源示意圖。
 

周聖軍團隊在深紫外LED中引入了AlGaN基超薄隧道結（26nm），最大限度地減少AlGaN基隧道結的體電阻，使發光波長為275nm的大功率超薄隧道結深紫外LED晶片的正向電壓從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基超薄隧道結深紫外LED晶片的電光轉換效率相比於採用p-GaN接觸層的深紫外LED晶片提升了5.5%。集成超薄隧道結深紫外LED晶片陣列的深紫外光源在表面滅活實驗中表現出優異的殺菌性能，為開發用於生物醫學測試、空氣和水淨化以及殺菌消毒的大功率深紫外光源提供了理論和技術支持。

▲ 集成超薄隧道結深紫外LED晶片陣列的深紫外光源對多種病原微生物的殺滅效果。
 

這一成果於2023年8月25日在線發表於Laser & Photonics Reviews。論文題目為High-Power AlGaN-Based Ultrathin Tunneling Junction Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes（大功率AlGaN基超薄隧道結深紫外LED）。周聖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.能帶工程異質外延生長實現單片集成III族氮化物量子結構的全光譜白光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。

隨著LED技術的發展，製造與太陽光譜接近的白光LED已經成為近幾年的研究熱點。一方面，與傳統白光LED相比，全光譜白光LED具有高的光照品質，可以準確還原物體的真實色彩，另一方面，全光譜白光LED透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。

▲ 基於單片集成III族氮化物量子結構製備的全光譜白光LED的暖白/冷白光發射光譜。

周聖軍團隊開發了一種由單片集成III族氮化物量子結構做為激發源實現全光譜白光LED的方法，利用能帶工程對激發源的外延結構參數進行設計，調控量子阱中的載流子輸運行為，實現對發光波長及發光強度的調控。與單波長激發源相比，利用集成三波長晶片激發紅綠熒光粉的全光譜白光LED中藍光部分的強度明顯降低，發射光譜連續。

通過調控III族氮化物激發源的量子阱組分和量子勢壘厚度，周聖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的光照品質影響，並基於單片集成III族氮化物量子結構製備的全光譜白光LED，同時實現了高於97/98的顯色指數，高於120/140 lm/W發光效率以及高色彩還原度的暖白/冷白光發射，為高效率、高顯色能力、低藍光的健康照明提供了理論基礎和技術支撐。

這一成果近期發表於Laser & Photonics Reviews，論文題目為Monolithically Integrating III-Nitride Quantum Structure for Full-Spectrum White LEDvia Bandgap Engineering Heteroepitaxial Growth（能帶工程異質外延生長實現單片集成III族氮化物量子結構的全光譜白光LED）。

開髮晶照明（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，周聖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、國家重點研發計劃和國家青年拔尖人才計劃支持。

（來源：武漢大學）