单片集成光电倍增转换器的半导体深紫外发光二极管芯片

陈长清、戴江南研发团队首次将p-i-n的探测结构单片集成在深紫外LED芯片中，实现了载流子循环注入、光倍增放大功能，获得了21.6%这一国际最高电光转换效率值。

最新深紫外激光器

陈长清、戴江南研发团队首次采用超薄AlN/GaN多量子阱作为深紫外激光器的有源区实现了室温光激励下峰值波长为249 nm的横电模（TE）受激发射现象，阈值功率密度为190kW/cm²。

长期以来，半导体深紫外LED技术虽然被广泛看好，但因其光电转化效率始终无法突破10%，徘徊在商业化应用初级阶段难以前行， 其节能、环保、便携、寿命长，可广泛应用于医用光疗、杀菌消毒、空气净化、保密通讯、气体检测的市场潜力无法释放。

对此，日本理化学研究所H.Hirayama研究团队、德国柏林工业大学C.Kuhn研究团队曾陆续提出过以电子阻挡层抑制电子的泄漏、使用隧穿结来代替P型铝镓氮层提高空穴注入效率等多种方式，均未取得突破性进展。

陈长清、戴江南团队本次研发成果解决了这一国际难题

单片集成技术，是将两个或两个以上器件或功能结构集成在单颗芯片中，并利用它们之间的相互作用提高设备的性能。本质上，这种系统级的创新能构建一个新的器件环境，实现“片上系统”。陈长清、戴江南科研团队提出了引入单片集成技术的新思路，将p-i-n氮化镓探测结构原位生长在深紫外LED外延结构上（MPC-DUV LED：Monolithic integration of deep ultraviolet LED），实现具有载流子循环注入、光倍增放大功能的芯片器件。

陈长清、戴江南团队通过长时间的调研和探索，创新性地将p-i-n的探测结构应用在深紫外LED芯片中，可以将量子阱有源区所发射的280 nm以下的深紫外光吸收，并转换为新的电子空穴对。在外加高电压的作用下，产生的电子空穴对发生分离，空穴载流子在电场作用下向量子阱方向漂移，并重新注入到量子阱中。

研究发现，在小电流下，传统DUV LED芯片是电流驱动的工作模式，其出光功率呈线性增长。与之不同的是，MPC-DUV LED芯片是电压驱动的工作模式，其出光功率呈指数型增长。

A点所对应的光谱积分得到其真实功率为33.0 μW。对于传统DUV LED，其工作电压和电流分别是4.88 V和1.87 mA，而相对的MPC-DUV LED其工作电压和电流分别为19.5 V和7.85 μA，两种DUV LED的电光转换效率（出光功率/注入的电功率）分别为0.36%和21.6%，相差达60倍。

研究进一步揭示了小电流下MPC-DUV LED芯片获得超高转换效率的机理。通过APSYS仿真计算，i-GaN层中的电场可达5×10⁶ V/cm，超过氮化镓材料中盖革模式的阈值电场（2.4~2.8×10⁶ V/cm），因而有极大的概率在耗尽层中发生碰撞电离，获得几十乃至上百倍的高增益，从而实现空穴载流子数量级的提高。

整个光电循环的过程中量子阱中电子和空穴发生复合发光，一部分深紫外光子从器件底部逃逸出去，另一部分光子进入到MPC结构中被吸收，高能量的深紫外光子激发氮化镓材料产生相应的电子空穴对，并在外加电压的情况下发生分离，空穴在耗尽区强电场的作用下发生碰撞电离，多次倍增后重新注入到量子阱中，与量子阱中原有的电子发生新的辐射复合，如此循环，最终大幅提高了载流子注入效率。