基于GaN激光器的新型绿光InGaN多量子阱的压电光电子学效应研究

Green multi-quantum-wells (MQWs) are the key structure in green laser. Its breakthrough in recombination efficiency, will greatly promote the development of the laser display field. Piezo-photoelectronics on band-gap tailor together nitride MOCVD growth technology research tools will carry out the new green InGaN MQWs design and enhance recombination efficiency, revealing its physical mechanism. Applications-oriented MQWs for the development of InGaN green laser is one of the hot topics of the current international nitride semiconductor researches. It is not only important in academic such as semiconductor low-dimensional physics, and can lay the physical foundation for the development and application of GaN-based green laser. The results can directly transfer to industry needs.

面临复合效率低等诸多问题的绿光多量子阱结构是绿光激光器的关键结构，也是当前氮化物半导体研究的热点课题，其突破性进展必将极大地促进激光显示领域的发展。本项目以压电光电子学效应研究和氮化物MOCVD生长技术为主要手段，开展非对称量子阱等新型绿光InGaN结构设计及其复合效率的研究，拟以压电光电子学效应通过增大单量子阱电子和空穴波函数的交叠积分，改善多量子阱间载流子的分布，减弱电子阻挡层、波导层以及覆盖层等对注入的负面影响和改善材料生长条件等措施显著提高多量子阱体系的复合效率，给出面向激光器应用的InGaN绿光量子阱的实现途径和方法。本项目在半导体物理方面具有重要的学术意义，并可为GaN基绿光激光器的研制和应用提供物理依据，其结果直接与产业化需求相对接。

项目参与人员齐心协力，克服“疫情”等不利因素，化被动为主动，不仅保证了项目的完成，而且在此基础上结合自己专业特长，新增加了压电光电子学效应对深紫外LED的研究内容，以积极响应国家“面向人民生命健康”号召，助力全民“抗疫”。项目在量子阱界面研究过程中，拓展了界面物理研究内容，在接触起电诱导的界面光谱学上也有新进展。具体为：1）将InGaN量子阱的发射波长扩展至540 nm，通过新型半浮式结构，研究了压电光电子学效应对InGaN量子阱的影响。在压电光电子学效应影响下，InGaN量子阱的光强度比传统结构显着提高了150 ％。在电注入情况下，压电光电子学效应被证明可以增强辐射复合并抑制LED器件的自热效应。与传统的无应变LED相比，在6 V和7 V偏置电压下，仅0.1 %的外加应变，就可让LED的工作温度分别降低50.00 %和47.62 %。考虑压电光电子学效应影响，我们重新定义了GaN多量子阱半导体激光二极管的量子阱内部和外部的电子和空穴的准费米能级分离，重新审视自发辐射系数β，自发辐射寿命τsp和光子寿命τp对阈值Ith的影响。2）结合GaN基绿光LED前期研究结果，我们也研究了高Al组分深紫外LED中理想化因子过高的物理成因和机制，助力深紫外灭菌和全民“抗疫”。3）在两种固体材料接触起电过程中观测到了原子特征的光谱。接触起电诱导的特征光子发射携带了界面处能量结构的丰富信息。这也为一个全新光谱学的发展铺平了道路。这种光谱学对应于接触起电的界面处，对理解固体、液体和气体之间的相互作用，将产生深远的影响。未来，它可以扩展到更多的情况。这将兴起一个全新的光谱学领域——接触起电诱导的界面光谱学(Contact-Electrification Induced Interface Spectroscopy, CEIIS)。相关成果已在Science Advances等重要学术期刊发表相关论文8篇（均为SCI索引），在国际学术会议上口头报告6人次，国内学术会议口头报告5人次，共计11人次。项目培养博士后研究人员1人（出站），培养博士生1人（已毕业），硕士生12人（毕业6人，在读6人）以及本科生9人（7人已毕业）。