近日，寧波東方理工大學(xué)理學(xué)部物理學(xué)院院長(zhǎng)、講席教授魏蘇淮，聯(lián)合中國(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、孫曉娟、黎大兵團(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)稱注入問題。該成果于2025年7月8日以“Overcoming asymmetric carrier injection in III-nitride light-emitting diodes through defect engineering”為題發(fā)表在物理學(xué)頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上。

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

　　AlGaN基紫外LED作為下一代高密度光存儲(chǔ)、殺菌消毒、和空氣凈化等領(lǐng)域的核心器件，其效率瓶頸的一個(gè)關(guān)鍵在于電子與空穴冷卻速率的不對(duì)稱性：電子能量弛豫過程顯著慢于空穴，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題，難以從根本上優(yōu)化載流子動(dòng)力學(xué)。

　　魏蘇淮教授和石芝銘、孫曉娟、黎大兵研究員團(tuán)隊(duì)基于對(duì)氮化物能帶結(jié)構(gòu)和載流子動(dòng)力學(xué)的分析，首次提出通過調(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)。這些缺陷狀態(tài)作為中間能級(jí)，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，顛覆了缺陷是有害的傳統(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。

　　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內(nèi)量子效率、實(shí)現(xiàn)高性能光電器件具有重要意義。

圖1 (a)GaN/AlN 量子阱載流子動(dòng)力學(xué)示意圖：左側(cè)為在本征體系，Eg2 的存在導(dǎo)致了電子冷卻緩慢;右側(cè)為Eg2中引入缺陷能級(jí)導(dǎo)致態(tài)密度增加，從而加速冷卻。氮化鎵熱載流子的冷卻過程(b)和平均自由程(c)。

圖2 點(diǎn)缺陷在量子阱內(nèi)的空間分布和缺陷狀態(tài)的能量分布

　　該論文的第一作者是中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所博士生楊喻心，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。

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1103/kt15-x472

　　魏蘇淮教授現(xiàn)任寧波東方理工大學(xué)講席教授、物理學(xué)院院長(zhǎng)，國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)首席科學(xué)家，國(guó)家基金委重大項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士(APS Fellow)，美國(guó)材料研究學(xué)會(huì)會(huì)士(MRS Fellow)。1981年本科畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)并通過CUSPEA項(xiàng)目去美國(guó)留學(xué)，1985年在美國(guó)威廉瑪麗學(xué)院取得理學(xué)博士學(xué)位，1985年-2015年在美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(NREL)工作，2015年回國(guó)前擔(dān)任NREL理論研究室主任，國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Fellow，2015年-2024年任北京計(jì)算科學(xué)研究中心講席教授、材料與能源研究部主任。在半導(dǎo)體能帶理論、缺陷與合金物理、能源與光電材料設(shè)計(jì)、計(jì)算方法等方面取得了系統(tǒng)的原創(chuàng)性成果。已發(fā)表Nature，Nature子刊，Science子刊等SCI論文600余篇，包括70余篇PRL。論文引用大于84000多次，H因子140。