科研成果 | 缺陷功能化新突破：调控氮空位加速电子冷却，破解紫外LED注入效率瓶颈

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近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所石芝铭研究员、孙晓娟研究员、黎大兵研究员团队联合宁波东方理工大学魏苏淮教授团队，在宽禁带氮化物载流子动力学研究方面取得重要进展，提出通过界面缺陷工程加速电子冷却的新策略，有效解决了长期困扰氮化物紫外发光二极管（LED）效率的载流子不对称注入问题。相关研究成果“Overcoming Asymmetric Carrier Injection in III-Nitride Light-Emitting Diodes through Defect Engineering”已发表于在物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

AlGaN基紫外LED作为新一代节能环保紫外光源是光固化技术、高密度光存储、非视距通讯等领域的核心器件。在污水处理、公共场所消杀、工业制造业等领域具有重要应用。其效率瓶颈在于电子与空穴冷却速率的不对称性：电子能量弛豫过程显著慢于空穴，导致辐射复合效率低下。传统方案常通过引入电子阻挡层（EBL）以提升电子注入效率，但存在设计复杂、额外势垒和材料不兼容等问题。

研究利用第一性原理计算揭示了界面缺陷促进电子冷却的物理机制

图1 (a)GaN/AlN 量子阱载流子动力学示意图：左侧为在本征体系，Eg2 的存在导致了电子冷却缓慢；右侧为Eg2中引入缺陷能级导致态密度增加，从而加速冷却。氮化镓热载流子的冷却过程(b)和平均自由程(c)。

图2 点缺陷在量子阱内的空间分布和缺陷状态的能量分布

本研究工作提出了一种有效方法，通过在GaN/AlN量子阱（QW）界面引入氮空位（VN），解决了发光二极管（LED）中长期存在的载流子非对称注入问题。VN态起到了“台阶”的作用，同时也提供了足够大的扰动势；它通过提升能带连续性和增强电-声子（el-ph）耦合，显著改善了电子向导带底的弛豫过程。电子弛豫时间（τe）从最初的 8.61 ps降至 0.15 ps，达到了与空穴弛豫时间（τh，0.12 皮秒）相当的水平。这项工作不仅消除了GaN基光源中一个长期存在的瓶颈，也为利用缺陷来设计载流子弛豫提供了新视角。

上述成果深化了对宽禁带氮化物中载流子动力学与缺陷相互作用机制的理解，对提升紫外LED注入效率、实现高性能光电器件具有重要意义。该论文第一作者是中国科学院长春光机所特种发光科学及应用全国重点实验室2022级博士研究生杨喻心，通讯作者是石芝铭研究员、魏苏淮教授、孙晓娟研究员和黎大兵研究员。

论文信息

Overcoming Asymmetric Carrier Injection in III-Nitride Light-Emitting Diodes through Defect Engineering

Yuxin Yang ,1,2 Zhiming Shi ,1,2,* Shunpeng Lv ,1,2 Hang Zang,1 Xiaobao Ma,1,2 Feng Zhang,1,2 Yan Yu,1,2 Peng Han ,1,2 Ke Jiang,1,2 Xiaolan Yan ,3 Su-Huai Wei ,3,? Xiaojuan Sun,1,2,? and Dabing Li 1,2,§

Phys. Rev. Lett., 135, 026402, 2025,

https://link.aps.org/doi/10.1103/kt15-x472

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