近期，中国科大微电子学院孙海定和龙世兵课题组关于利用蓝宝石衬底斜切角调控量子阱实现三维载流子束缚，突破了紫外LED发光性能的重要进展。相关研究发表在《先进功能材料》。
据了解，传统的紫外光源一般是采用汞蒸气放电的激发态来产生紫外线，有着功耗高、发热量大、寿命短、反应慢、有安全隐患等诸多缺陷。新型的深紫外光源则采用发光二极管(lightemittingdiode:LED)发光原理，相对于传统的汞灯拥有诸多的优点，其中最为重要的优势在于其不含有毒汞元素。《水俣公约》的实施，预示2020年将全面禁止含有汞元素紫外灯的使用，因此，开发出一种全新的环保、高效紫外光源刻不容缓。
图：在0.2和4度斜切角蓝宝石衬底上制备的深紫外LED光致发光光谱和器件示意图，有源区透射电子显微镜展示了高分辨多量子阱结构图，和输出功率的对比图。(图片来源：中科大新闻网)
而基于宽禁带半导体材料的深紫外发光二极管成为这一新应用的不二选择。这一全固态光源体系体积小、效率高，寿命长，仅仅是拇指盖大小的芯片，就可以发出比汞灯还要强的紫外光。然而，要想实现紫外LED的高效发光并不总是那么容易。
中国科大微电子学院孙海定和龙世兵教授课题组，巧妙通过调控蓝宝石衬底的斜切角，大幅提升紫外LED的IQE和器件发光功率。课题组发现，当提高衬底的斜切角时，紫外LED内部的位错得到明显抑制，器件发光强度明显提高。当斜切角衬底达到4度时，器件荧光光谱的强度提升了一个数量级，而内量子效率也达到了破纪录的90%以上。
科研人员通过在4度斜切角衬底上优化外延生长调节，研究人员摸索到了一种最佳结构。该结构的载流子寿命超过了1.60ns，而传统器件中这一数值一般都低于1ns。
此项研究将会为高效率的全固态紫外光源的研发提供新的思路。这种思路无需昂贵的图形化衬底，也不需要复杂的外延生长工艺，而仅仅依靠衬底的斜切角的调控和外延生长参数的匹配和优化，就有望将紫外LED的发光特性提高到与蓝光LED相媲美的高度，为高功率深紫外LED的大规模应用奠定实验和理论基础。
此外，该研究工作还得到了国家自然科学基金委、中科院、中国科大等单位的支持。部分样品加工工艺在中国科大微纳研究与制造中心完成。