半导体行业的快速发展通常伴随着缺陷工程的突破。虽然缺陷通常阻碍器件性能，但它们也为调控半导体性质提供了新的契机。近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所石芝铭、黎大兵团队联合宁波东方理工大学魏苏淮教授团队，在宽禁带氮化物载流子动力学研究方面取得重要进展，提出通过界面缺陷工程加速电子冷却的新策略，有效解决了长期困扰氮化物紫外发光二极管（LED）效率的载流子不对称注入问题。
AlGaN基紫外LED作为新一代节能环保紫外光源是光固化技术、高密度光存储、非视距通讯等领域的核心器件。在污水处理、公共场所消杀、工业制造业等领域具有重要应用。其效率瓶颈在于电子与空穴冷却速率的不对称性：电子能量弛豫过程显著慢于空穴，导致辐射复合效率低下。传统方案常通过引入电子阻挡层（EBL）以提升电子注入效率，但存在设计复杂、额外势垒和材料不兼容等问题。
本研究首次提出通过调控GaN/AlN量子阱界面的氮空位缺陷，实现对电子冷却速率的有效增强。这些缺陷能级不但作为“台阶”提升了导带连续性，而且能够显著加强电子-声子相互作用，从而加速电子向导带底冷却。第一性原理计算表明，该策略可使电子冷却时间缩短超过一个数量级，有效实现与空穴冷却速率的动态平衡，大幅提升发光效率。与传统EBL结构相比，该方法无需额外结构设计，即可实现电子动力学的精准调控。该研究还进一步拓展了半导体缺陷物理的研究边界，系统验证了缺陷在调控器件性能方面的“有益性”作用，颠覆了缺陷的传统认知，为新一代电子与光电子器件的缺陷工程设计提供了理论支撑和新思路。
研究利用第一性原理计算揭示了界面缺陷促进电子冷却的物理机制
上述成果深化了对宽禁带氮化物中载流子动力学与缺陷相互作用机制的理解，对提升紫外LED注入效率、实现高性能光电器件具有重要意义。相关研究成果已发表于《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett., 135, 026402, 2025, https://link.aps.org/doi/10.1103/kt15-x472）上。该论文第一作者是中国科学院长春光机所特种发光科学及应用全国重点实验室2022级博士研究生杨喻心，通讯作者是石芝铭研究员、魏苏淮教授、孙晓娟研究员和黎大兵研究员。
论文信息：
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
