近日，寧波東方理工大學理學部物理學院院長、講席教授魏蘇淮，聯合中國科學院長春光學精密機械與物理研究所石芝銘、孫曉娟、黎大兵團隊，在寬禁帶氮化物載流子動力學研究方面取得重要進展，提出通過界面缺陷工程加速電子冷卻的新策略，有效解決了長期困擾氮化物紫外發光二極管(LED)效率的載流子不對稱注入問題。該成果于2025年7月8日以“Overcoming asymmetric carrier injection in III-nitride light-emitting diodes through defect engineering”為題發表在物理學頂級期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。

第一性原理計算揭示了界面缺陷促進電子冷卻的物理機制

　　AlGaN基紫外LED作為下一代高密度光存儲、殺菌消毒、和空氣凈化等領域的核心器件，其效率瓶頸的一個關鍵在于電子與空穴冷卻速率的不對稱性：電子能量弛豫過程顯著慢于空穴，導致輻射復合效率低下。傳統方案常通過引入電子阻擋層(EBL)以提升電子注入效率，但存在設計復雜、額外勢壘和材料不兼容等問題，難以從根本上優化載流子動力學。

　　魏蘇淮教授和石芝銘、孫曉娟、黎大兵研究員團隊基于對氮化物能帶結構和載流子動力學的分析，首次提出通過調控GaN/AlN量子阱界面的氮空位缺陷，實現對電子冷卻速率的有效增強。這些缺陷狀態作為中間能級，能夠顯著加強電子-聲子相互作用，從而加速電子向導帶底冷卻。第一性原理計算表明，該策略可使電子冷卻時間縮短超過一個數量級，有效實現與空穴冷卻速率的動態平衡，大幅提升發光效率。與傳統EBL結構相比，該方法無需額外結構設計，即可實現電子動力學的精準調控。該研究還進一步拓展了半導體缺陷物理的研究邊界，系統驗證了缺陷在調控器件性能方面的“有益性”作用，顛覆了缺陷是有害的傳統認知，為新一代電子與光電子器件的缺陷工程設計提供了理論支撐和新思路。

　　上述成果深化了對寬禁帶氮化物中載流子動力學與缺陷相互作用機制的理解，對提升紫外LED內量子效率、實現高性能光電器件具有重要意義。

圖1 (a)GaN/AlN 量子阱載流子動力學示意圖：左側為在本征體系，Eg2 的存在導致了電子冷卻緩慢;右側為Eg2中引入缺陷能級導致態密度增加，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 點缺陷在量子阱內的空間分布和缺陷狀態的能量分布

　　該論文的第一作者是中國科學院長春光機所博士生楊喻心，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

　　魏蘇淮教授現任寧波東方理工大學講席教授、物理學院院長，國家重點專項首席科學家，國家基金委重大項目負責人，美國物理學會會士(APS Fellow)，美國材料研究學會會士(MRS Fellow)。1981年本科畢業于復旦大學并通過CUSPEA項目去美國留學，1985年在美國威廉瑪麗學院取得理學博士學位，1985年-2015年在美國可再生能源國家實驗室(NREL)工作，2015年回國前擔任NREL理論研究室主任，國家實驗室Fellow，2015年-2024年任北京計算科學研究中心講席教授、材料與能源研究部主任。在半導體能帶理論、缺陷與合金物理、能源與光電材料設計、計算方法等方面取得了系統的原創性成果。已發表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。