半導體行業的快速發展通常伴隨著缺陷工程的突破。雖然缺陷通常阻礙器件性能，但它們也為調控半導體性質提供了新的契機。近日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所石芝銘、黎大兵團隊聯合寧波東方理工大學魏蘇淮教授團隊，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。 

AlGaN基紫外LED作為新一代節能環保紫外光源是光固化技術、高密度光存儲、非視距通訊等領域的核心器件。在污水處理、公共場所消殺、工業制造業等領域具有重要應用。其效率瓶頸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。 

本研究首次提出通過調控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。這些缺陷能級不但作為“臺階”提升了導帶連續性，而且能夠顯著加強電子-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。 

研究利用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 

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注入效率、實現高性能光電器件具有重要意義。相關研究成果已發表于《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett., 135, 026402, 2025, https://link.aps.org/doi/10.1103/kt15-x472）上。該論文第一作者是中國科學院長春光機所特種發光科學及應用全國重點實驗室2022級博士研究生楊喻心，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