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。相关研究以“Unambiguously Enhanced Ultraviolet Luminescence of AlGaN Wavy Quantum Well Structures Grown on Large Misoriented Sapphire Substrate”为题发表在《先进功能材料》。

虽然紫外线在太阳光中能量占比仅5%，但在人类生活中应用广泛。目前，紫外光广泛应用于水净化、光固化和杀菌消毒等领域。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，有着发热量大、功耗高、反应慢、寿命短和安全隐患等诸多缺陷。而新型的深紫外光源则采用发光二极管（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，成为了摆在人们面前的一项重要挑战。

由此，基于宽禁带半导体材料（氮化镓、氮化镓铝）的深紫外发光二极管（UV LED）成为这一新应用的不二选择。这一全固态光源体系效率高、体积小、寿命长，而且不过是拇指盖大小的芯片，就能发出比汞灯还要强的紫外光。这里面的奥秘主要取决于III族氮化物这种直接带隙半导体材料：导带上的电子与价带上的空穴复合时，产生光子。光子的能量则取决于材料的禁带宽度，所以科学家们可以通过调节氮化镓铝（AlGaN）这种三元化合物中的元素组分来实现不同波长的发光。但是，要想实现UV LED的高效发光并不总是那么简单的事情。科学家们发现当电子和空穴复合时，并不总是一定产生光子，这一效率被称之为内量子效率(IQE)。

中科大微电子学院孙海定和龙世兵教授的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。他们的课题组发现当提高衬底的斜切角时，UV LED内部的位错得到明显抑制，器件发光D的强度明显提高。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。

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。

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。

中国科大微电子学院孙海定研究员为论文的第一作者和共同通讯作者。该项目联合中国科学院宁波材料所郭炜和叶继春研究员，华中科技大学戴江南和陈长清教授，河北工业大学张紫辉教授，沙特阿卜杜拉国王科技大学Boon Ooi和Iman Roqan教授一起攻关完成。该研究工作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。论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201905445