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武汉大学周圣军团队在LED研究领域取得系列进展

近日,武汉大学周圣军教授研究小组在国际知名期刊Applied Physics Letters,Optics Letter和Optics Express在线发表了GaN基LED芯片的最新研究成果。

近日,武汉大学周圣军教授研究小组在国际知名期刊Applied Physics Letters,Optics Letter和Optics Express在线发表了GaN基LED芯片的最新研究成果。

III族氮化物LED以其低能耗、长寿命和体积小等优点,逐渐成为传统光源的重要替代。一般来说,InGaN量子阱中铟(In)含量越高,LED发光波长越长。然而,随着铟组分的增加,InGaN量子阱面内压应力升高,会产生较强的极化场,导致InGaN基黄光LED量子效率仍然比蓝光LED低很多。

周圣军教授研究小组扩展了能带工程在长波段LED中的应用,并分析了阶梯形量子阱对器件光电性能和晶体质量的影响。与方形量子阱LED相比,具有阶梯形量子阱的黄光(〜570 nm)LED表现出更高的光输出功率及更优的晶体质量,研究结果以《Rational construction of staggered InGaN quantum wells for efficient yellow light-emitting diodes》为题发表在国际权威期刊《Applied Physics Letters》。

论文第一作者为武汉大学博士生赵晓宇,论文通讯作者为周圣军教授,武汉大学为论文第一作者和通讯作者单位。

图片来源:武汉大学

AlGaN基深紫外(DUV) LED在杀菌消毒方面引起了广泛关注。外延生长在蓝宝石之上的AlN对紫外光透明并且具有价格优势,是目前应用最广泛的AlGaN基DUV LED衬底。然而,AlN和蓝宝石之间较大的晶格常数失配导致外延生长的AlN薄膜中存在高密度的位错,限制了AlGaN基DUV LED外量子效率的进一步提升。

周圣军教授研究小组设计了一种交替V/III比的AlN超晶格结构,实现了较低生长温度(1180 摄氏度)下AlN薄膜的高质量外延生长。利用透射电子显微镜证明了交替V/III比的AlN超晶格结构可以引发穿透位错的倾斜,从而增加了穿透位错之间反应的几率,促进了位错的湮灭。

此外,倾斜的位错还在平行于c面的方向上提供了失配位错的分量,从而促进了生长过程中张应变的释放,消除了开裂的风险。相关研究结果发表在国际权威期刊《Applied Physics Letters》,论文题目为《Strain management and AlN crystal quality improvement with an alternating V/III ratio AlN superlattice》。

论文共同第一作者为唐斌、万泽洪和胡红坡,论文通讯作者为周圣军教授,武汉大学为论文第一作者和通讯作者单位。

图片来源:武汉大学

由于InGaN基LED具有可调发射光谱,对红、绿、蓝三色LED色彩混合是实现全彩Micro-LED显示的有效途径。为解决InGaN基绿光LED芯片外量子效率较低的问题,周圣军教授研究小组运用能带工程技术,重点研究了堆叠式GaN/AlN量子势垒对InGaN基绿光LED光电性能的影响。

结果表明,在AlN/p-GaN界面产生的极化诱导面电荷可以加速空穴,并且GaN/AlN中的AlN层可以实现空穴的带内隧穿从而有利于空穴注入到有源区,同时也提高了电子的有效势垒高度。

由于提高了空穴注入效率和抑制了电子泄漏,采用此结构的绿光LED发光效率得到显著提高,研究结果以《Stacked GaN/AlN last quantum barrier for high-efficiency InGaN-based green light-emitting diodes》为题发表在国际权威期刊《Optics Letters》。

论文共同第一作者为陶国裔和赵晓宇,论文通讯作者为周圣军教授,武汉大学为论文第一作者和通讯作者单位。

图片来源:武汉大学

为进一步提高绿光LED效率,周圣军教授研究小组开发了由溅射AlN和中温GaN组成的复合成核层。在复合成核层之上继续外延生长GaN时,由于减小了GaN与蓝宝石之间的晶格常数适配,GaN倾向于横向生长,因此在GaN外延层中形成了层错结构。层错结构的产生有效的促进了应力的释放,减少了穿透位错的密度。

此外,结合变温荧光光谱和时间分辨荧光光谱实验证明了生长在复合成核层之上的InGaN/GaN多量子阱中形成了更深的局域态,因此进一步提高了InGaN/GaN绿光LED的内量子效率。研究结果以《Toward efficient long-wavelength III-nitride emitters using a hybrid nucleation layer》为题发表在国际权威期刊《Optics Express》。

图片来源:武汉大学

论文共同第一作者为唐斌、宫丽艳和胡红坡,论文通讯作者为周圣军教授,武汉大学为论文第一作者和通讯作者单位。

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