半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展通常伴隨著缺陷工程的突破。雖然缺陷通常阻礙器件性能，但它們也為調(diào)控半導(dǎo)體性質(zhì)提供了新的契機(jī)。近日，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所石芝銘、黎大兵團(tuán)隊(duì)聯(lián)合寧波東方理工大學(xué)魏蘇淮教授團(tuán)隊(duì)，在寬禁帶氮化物載流子動(dòng)力學(xué)研究方面取得重要進(jìn)展，提出通過(guò)界面缺陷工程加速電子冷卻的新策略，有效解決了長(zhǎng)期困擾氮化物紫外發(fā)光二極管（LED）效率的載流子不對(duì)稱(chēng)注入問(wèn)題。 

AlGaN基紫外LED作為新一代節(jié)能環(huán)保紫外光源是光固化技術(shù)、高密度光存儲(chǔ)、非視距通訊等領(lǐng)域的核心器件。在污水處理、公共場(chǎng)所消殺、工業(yè)制造業(yè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。其效率瓶頸在于電子與空穴冷卻速率的不對(duì)稱(chēng)性：電子能量弛豫過(guò)程顯著慢于空穴，導(dǎo)致輻射復(fù)合效率低下。傳統(tǒng)方案常通過(guò)引入電子阻擋層（EBL）以提升電子注入效率，但存在設(shè)計(jì)復(fù)雜、額外勢(shì)壘和材料不兼容等問(wèn)題。 

本研究首次提出通過(guò)調(diào)控GaN/AlN量子阱界面的氮空位缺陷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子冷卻速率的有效增強(qiáng)。這些缺陷能級(jí)不但作為“臺(tái)階”提升了導(dǎo)帶連續(xù)性，而且能夠顯著加強(qiáng)電子-聲子相互作用，從而加速電子向?qū)У桌鋮s。第一性原理計(jì)算表明，該策略可使電子冷卻時(shí)間縮短超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)，有效實(shí)現(xiàn)與空穴冷卻速率的動(dòng)態(tài)平衡，大幅提升發(fā)光效率。與傳統(tǒng)EBL結(jié)構(gòu)相比，該方法無(wú)需額外結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)電子動(dòng)力學(xué)的精準(zhǔn)調(diào)控。該研究還進(jìn)一步拓展了半導(dǎo)體缺陷物理的研究邊界，系統(tǒng)驗(yàn)證了缺陷在調(diào)控器件性能方面的“有益性”作用，顛覆了缺陷的傳統(tǒng)認(rèn)知，為新一代電子與光電子器件的缺陷工程設(shè)計(jì)提供了理論支撐和新思路。 

研究利用第一性原理計(jì)算揭示了界面缺陷促進(jìn)電子冷卻的物理機(jī)制 

上述成果深化了對(duì)寬禁帶氮化物中載流子動(dòng)力學(xué)與缺陷相互作用機(jī)制的理解，對(duì)提升紫外LED注入效率、實(shí)現(xiàn)高性能光電器件具有重要意義。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Phys. Rev. Lett., 135, 026402, 2025, https://link.aps.org/doi/10.1103/kt15-x472）上。該論文第一作者是中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所特種發(fā)光科學(xué)及應(yīng)用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2022級(jí)博士研究生楊喻心，通訊作者是石芝銘研究員、魏蘇淮教授、孫曉娟研究員和黎大兵研究員。

論文信息：

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