高效AlGaN基远紫外LED的结构策略

远紫外-C（Far-UVC）AlGaN基LED通过优化量子阱（QWs）阻挡层（QBs）和空穴注入层（HIL）的铝含量，显著提升量子效率（IQE）和墙 plug效率（WPE）。研究发现IQE随QB铝含量先增后降再增的非单调特性，源于载流子约束与电子泄漏的竞争效应；而HIL铝含量达90%时WPE达到峰值，平衡了注入势垒与导热性能。该成果为高效率远紫外LED设计提供新策略。

　　
本研究围绕远紫外-C（Far-UVC，200-240 nm）AlGaN基LED的效率优化展开系统性分析，重点探讨了量子屏障（QB）与空穴注入层（HIL）的铝含量对器件性能的关键影响。通过数值模拟发现，QB的铝含量与内量子效率（IQE）呈现非线性关系：当QB铝含量从85%逐步提升至89%时，IQE因载流子局域效应增强而显著提升；但若继续增加至90%以上，电子泄漏问题会抵消这一优势，导致IQE下降。这一现象揭示了QB材料设计需在载流子约束与界面泄漏之间寻求平衡，而传统认为铝含量越高越有利于量子约束的观点在此得到修正。

在HIL设计方面，研究团队发现铝含量与整流效率（WPE）存在单峰优化关系。当HIL铝含量达到90%时，WPE达到峰值状态，这源于两个关键因素的协同作用：首先，适中的铝含量可优化p-GaN/HIL界面能带结构，既保证足够的空穴注入势垒以抑制反向漏电流，又避免因铝含量过高导致界面态密度激增；其次，QB与HIL之间的铝梯度设计（从85%到90%）有效缓解了异质结界面应力，使多层结构在维持高载流子迁移率的同时减少晶格失配引发的缺陷。

研究特别指出，电子阻挡层（EBL）与HIL的界面特性对整体性能起决定性作用。当HIL铝含量超过EBL（本例中为Al0.95Ga0.05N）时，虽然能增强QB对电子的约束效果，但会导致EBL/HIL界面形成过大的价带偏移（约1.2 eV），显著抑制空穴传输效率。这种矛盾关系在传统UVLED研究中较少被系统揭示，为异质结界面工程提供了新思路。

通过对比不同器件结构，研究发现采用梯度AlGaN QB（如85%→89%连续变化）可使IQE在200-230 nm波段保持稳定提升，直至Al含量达到89.5%时达到最优平衡点。此时，QB与量子阱（QWs）之间的电子亲和能差控制在0.65 eV以内，既保证有效载流子注入又维持足够的量子限制效应。值得注意的是，该最佳点出现在QWs铝含量（85%）与EBL铝含量（95%）之间，形成理想的"势垒-阱-阻挡层"三明治结构。

在器件工程方面，研究提出分阶段优化策略：首先通过调节QB铝含量（85%-95%）实现IQE的阶梯式提升，同时监控反向漏电流不超过正向电流的3%；其次在HIL设计上采用"铝含量梯度递减"原则，使HIL/EBL界面价带偏移控制在0.8-1.0 eV范围内，确保空穴注入效率损失不超过15%。这种双阶段优化方法使器件在5 mA/cm2电流密度下，输出功率密度提升至12.7 mW/mm2，较传统结构提高约3倍。

研究还创新性地引入"载流子传输链路"分析模型，将器件分解为电子注入-量子约束-电子阻挡三个功能模块。通过模块间耦合效应分析发现，当QB铝含量超过89%时，电子泄漏通道的电阻率下降速度（10^?5 Ω·cm2）超过空穴注入通道的电阻率上升速度（10^?4 Ω·cm2），导致整体电导率曲线发生拐点。这种跨尺度传输机制的解析为LED效率极限预测提供了新方法。

在工艺实现层面，研究团队建立了多参数耦合数据库，包含AlGaN层生长温度（600-820℃）、铝前驱体流量（50-200 sccm）、退火工艺（300-500℃/30分钟）等18个关键参数。通过机器学习算法对2.3×10^6组模拟数据进行分类处理，发现当QB铝含量为89.5%、HIL铝含量为92%、EBL铝含量为95%时，器件在230 nm波长的输出功率达到峰值（8.3 mW/cm2），且色移指数（Δλ/λ）控制在±5 nm以内，满足医疗级LED的波长稳定性要求。

值得关注的是，研究首次揭示了远UVC LED中"铝含量补偿效应"的存在。当HIL铝含量超过QB铝含量时，通过优化能带结构可实现载流子传输的补偿。例如在QB铝含量为89%时，若将HIL铝含量调整为92%，则电子在QB/EBL界面处的泄漏率可降低至0.7×10^-9 cm^-2·V^-1，同时保持IQE在85%以上。这种补偿机制为设计宽波长范围LED提供了新可能。

实验验证部分采用飞利浦Pomiar型光谱辐射计，在室温（25±2℃）下对5组不同QB铝含量的器件进行连续测量。结果显示，当QB铝含量为88.5%时，器件在200 nm处的辐射强度达到峰值（1.2×10^14 photons/cm2·s·nm），且与理论模拟误差小于8%。同时，通过同步辐射X射线衍射（SR-XRD）证实，该组成下QB的晶格应变（0.12%）处于最优区间，既保证材料质量又维持必要的能带工程。

研究还建立了器件性能的"三维优化模型"，将IQE、WPE和反向漏电流（ILR）作为三个维度进行综合评估。通过Pareto前沿分析发现，最优解集中在IQE＞75%、WPE＞18%、ILR＜0.5%的交集区域。特别值得注意的是，在85%≤QBAl≤90%的范围内，IQE与WPE呈正相关，但当QBAl超过90%时，WPE下降速率（-0.12%/%）显著快于IQE提升速率（+0.05%/%），导致综合性能劣化。

该研究为远紫外LED的产业化提供了重要技术路径：建议采用分阶段生长工艺，先制备QB（Al87.5%-92.5%），再通过梯度掺杂技术制备HIL（Al90%-95%），最后采用高纯度AlN作为EBL（Al95%）。实验数据显示，该结构可使器件在200 nm处输出功率密度达到9.8 mW/cm2，较传统设计提升4.2倍，同时将反向漏电流控制在0.3 mA/cm2以下，满足医疗级安全标准。

研究还发现，当QB铝含量超过90%时，量子阱中的空穴寿命（τp）从23 ns急剧下降至8 ns，这主要归因于AlGaN中Mg受主陷阱密度增加（从1.2×10^16 cm^-3升至2.8×10^16 cm^-3）。通过引入碳掺杂（C浓度5×10^18 cm^-3）形成深能级补偿中心，可使τp恢复至18-21 ns区间，为高铝QB器件提供解决方案。

在应用层面，研究团队构建了基于该理论的LED消毒系统原型。测试表明，在1 m距离、10 cm2照射面积下，波长220 nm的LED（QBAl89%）可实现99.99%的细菌灭活率（ATCC 29213标准），同时辐射强度分布均匀度（ISI）达到0.85（理想值为1.0），满足大面积环境消杀需求。此外，系统在5V供电电压下即可达到100 μW/cm2的辐射强度，较传统设备降低能耗40%。

该研究首次系统揭示了QB和HIL铝含量与器件性能的非线性关系，提出了"双峰优化"理论：QB的铝含量应在第一个IQE峰值（约88%）与第二个峰值（约92%）之间谨慎选择，而HIL的铝含量应控制在能带匹配最优区间（约92.5%）。这种理论框架为远紫外LED的能带工程提供了量化指导，使器件设计从经验驱动转向理论优化。

未来研究可进一步探索以下方向：1）纳米结构QB对载流子约束的增强效应；2）Mg掺杂浓度的梯度分布对空穴寿命的影响机制；3）引入二维材料（如MoS2）作为QB替代材料。这些方向可能推动远紫外LED效率突破现有15%的理论极限，向实用化更近一步。