近日，河北工业大学、广东工业大学楚春双副教授、张勇辉教授、张紫辉教授团队联合中国科学院半导体研究所闫建昌研究员团队，在深紫外发光二极管（DUV LED）效率提升方面取得重要进展。他们创新性地提出并实现了“光子辅助空穴再生器”结构，成功将原本无法逸出芯片的紫外光子转化为可利用的空穴。再生空穴减小了金属/半导体界面的空穴耗尽效应，降低了金属/半导体界面电阻，再生空穴注入到有源区，促进了辐射复合率，因此研制的器件显著提升了电光转换效率（WPE）。相关研究成果以“Integrating a photon-assisted hole regenerator into AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting diodes to boost the wall-plug efficiency”为题，发表在工程电子学顶级期刊《IEEE Electron Device Letters》。
AlGaN基DUV LED在杀菌消毒、紫外固化、高速通信等领域具有广阔应用前景，被视为替代含汞紫外光源的环保方案。然而，受限于材料特性和结构设计，超过50%的紫外光子被限制在芯片内部无法逸出（光提取效率低）；另外，p型AlGaN层空穴浓度低、迁移率差，导致空穴注入效率不足和电流拥挤。这两大问题严重制约了器件电光转换效率（WPE）。传统方案多聚焦于分别优化光提取结构和外延层结构以提升光子逃逸率和空穴注入，其往往存在设计复杂、效果有限且无法同时兼顾的问题。
楚春双副教授、张勇辉教授、张紫辉教授、闫建昌研究员团队独辟蹊径，提出利用光子转化再生作用，将“有害”的光吸收效应首先转化为“有益”的载流子，并进一步转化成可逃离光子的新思路。他们创新性的集成基于n-ZnO/p-GaN柱状PN结的光子辅助空穴再生功能集成于DUV LED中。该结构巧妙利用反射偏置的n-ZnO/p-GaN PN结吸收无法逃逸的紫外光子（~280 nm），使光能转化成电子空穴对。同时，在反向电场作用下，新生的电子空穴对被有效分离。而分离的空穴再次注入到金属/半导体界面和有源区，一方面减小了金属/半导体界面的空穴耗尽效应，降低了金属/半导体界面电阻，同时再生空穴注入到有源区，通过辐射复合再次转换成可逃离的光子。此结构通过光子转化再生作用，提升了空穴浓度及注入效率并能提高光提取效率。该工作拓宽了光电集成器件的光子循环利用研究，系统论证了光吸收在提升器件效率中的“正向”作用，颠覆了深紫外发光器件中光吸收即损耗的传统观念，为提高深紫外器件中的载流子注入效率和光提取效率提供了一种新的理论与解决思路。
图1 (a) 器件A的SEM俯视及显微照片；(b) 台面区域的SEM放大图；(c) 包含Al/Au/Ni/ZnO层与p型区域的截面STEM图；(d) n-ZnO/p-GaN界面的STEM高倍放大图；(e1) 和 (e2) 分别为Zn元素和Ga元素的EDS面分布图；(f) 有无n-ZnO层的DUV LED晶圆的透过率光谱；(g) 有无n-ZnO层的DUV LED晶圆的光致发光（PL）光谱；(h) 有无n-ZnO层的DUV LED样品的时间分辨光致发光（TRPL）曲线。
图2 (a) 器件A与R的实测电流-电压特性曲线；(b) 器件A与R的理想因子随注入电流的变化关系；(c) 在20 mA注入电流下，p-GaN层中空穴浓度的计算结果。
图3 (a) 器件A与R的实测电致发光（EL）光谱；(b) 器件A与R的外量子效率（EQE）、光输出功率及归一化WPE实测结果；(c) 在20 mA注入电流下，器件A与R的有源区及p型区空穴浓度计算分布；(d) 与 (e) 分别为器件A和器件R在TE偏振光下的XY截面电场分布图；(f) 两种器件辐射到空气中的TE偏振光强度一维分布对比。
实验结果表明，集成该光子转化再生器结构的器件（Device A）相较于传统结构器件（Device R）实现了全方位性能提升：在70 mA工作电流下，光输出功率显著提升41%，核心指标WPE大幅提升44%；同时，器件工作电压有效降低，热衰减效应得到抑制，证实了空穴注入的改善；物理机制分析进一步显示，p-GaN层和有源区的空穴浓度显著提高，并且器件的反向漏电流降低，理想因子得到改善，验证了该结构在优化载流子输运和抑制缺陷相关复合方面的优势。该研究首次将光子回收概念成功应用于AlGaN基DUV LED领域，突破了传统依赖提升光提取结构和p型掺杂效率的局限，为解决DUV LED长期面临的空穴注入效率低和光子限制问题提供了一种高效、可行的新策略。这种“变废为宝”的方法，不仅显著提升了器件性能，也拓展了光子回收技术在宽禁带半导体光电器件中的应用前景。值得关注的是，该创新技术已在深紫外行业领军企业山西中科潞安紫外光电科技有限公司开展试点应用。
河北工业大学刘建宇硕士和广东工业大学楚春双副教授为论文共同第一作者，河北工业大学张勇辉教授和广东工业大学张紫辉教授为共同通讯作者。合作单位还包括中国科学院半导体研究所刘乃鑫副研究员、闫建昌研究员团队等。
本研究得到了国家重点研发计划项目（编号：2022YFB3605100）和山西省区域重点基金（编号：202404041101049）的资助。
