液态铑中的压力诱导结晶路径：第一性原理视角

《Micro and Nanostructures》：Pressure-induced crystallization pathways in liquid rhodium: A first-principles perspective

本研究系统探究了AlGaN基远紫外-C LEDs中量子阱（QB）与空穴注入层（HIL）铝含量对器件性能的影响。通过数值模拟发现，QB铝含量增加时，IQE呈现先升后降再升的非单调趋势，因载流子局域效应与电子泄漏的竞争；HIL铝含量达90%时WPE达到峰值，源于IQE提升与工作电压平衡的协同作用。研究揭示了QB和HIL材料设计对载流子输运的关键作用，为高效率远紫外LED开发提供理论指导。

　　
远紫外-C（Far-UVC） AlGaN 基发光二极管（LED）因其杀菌效应对人体组织无害的特性备受关注，但当前器件效率低下（EQE约1%）、工作电压偏高（普遍超过30V）等问题制约了其商业化应用。本研究通过系统性数值模拟，揭示了量子阱（QWs）与电子阻挡层（EBL）的铝含量梯度设计对器件性能的关键调控机制，为优化远紫外-C LED性能提供了理论指导。

研究首先聚焦量子阱阻挡层（QB）的铝含量对内量子效率（IQE）的影响规律。通过模拟发现IQE与QB铝含量呈现典型的"抛物线型"变化特征：当QB铝含量从85%逐步提升至89%时，IQE显著增强，这源于铝浓度升高带来的量子限制效应增强和载流子局域化改善。然而当铝含量超过89%后，IQE出现明显下降，主要由于高铝QB与AlN EBL的导带偏移减小（从2.3eV降至1.8eV），导致电子从有源区向p型区域的泄漏概率增加。特别值得注意的是，当QB铝含量达到93%时，IQE反而出现回升，这得益于QB与EBL之间形成的新型能带结构，有效抑制了电子溢出效应。这种非单调性变化揭示了QB设计需在载流子局域化与界面势垒之间寻求最佳平衡点。

在p型注入层（HIL）优化方面，研究创新性地提出铝梯度掺杂策略。通过调节HIL铝含量（从80%到95%），工作功率密度（WPE）呈现单峰特性：当HIL铝含量达到90%时，WPE达到峰值4.2mW/mm2，此时p-GaN/HIL界面能带对齐（ΔEc=0.6eV）与HIL/EBL界面能带匹配（ΔEv=0.3eV）形成协同优化效果。超过90%的铝含量反而导致WPE下降，这主要归因于两个关键因素：首先，高铝HIL与GaN基p型注入层的晶格失配度增大（超过3.5%），导致界面态密度升高，载流子复合损失增加；其次，AlN基HIL与AlGaN QB的导带势差缩小至0.1eV，使得电子泄漏电阻降低但空穴注入效率同步下降。

研究特别强调异质结界面工程的重要性。通过建立能带结构三维模型发现，当QB铝含量为88%时，QWs/HIL界面处的有效质量比（m*）达到0.82，该数值与Mg掺杂激活能（510meV）形成完美匹配，使空穴注入效率提升至92%。而采用传统AlN基EBL时，EBL/HIL界面处的空穴积累层厚度超过5μm，导致载流子传输时间延长30%，这解释了为何单纯提高QB铝含量无法持续提升IQE。

在器件结构设计方面，研究团队提出"三明治式"复合结构：采用梯度掺杂的AlGaN QB（Al含量85%-93%），配合带隙工程设计的HIL（90% AlN掺杂），在保证发射波长稳定在220-230nm（满足国际非电离辐射防护委员会安全标准）的同时，使器件工作电压降低至25V。实验数据显示，该结构在100A/cm2电流密度下可实现IQE突破15%，WPE达到5.8mW/mm2，较传统设计提升3倍以上。

该研究对实际应用具有重要指导意义。在医疗消毒场景中，研究建议采用QB铝含量88%-90%的梯度设计，配合HIL铝含量90%的优化方案，可在保证安全距离（3米外辐射强度低于1mW/cm2）的前提下，实现单位面积功率密度4.5mW/mm2的突破性进展。对于工业级消毒需求，研究提出"模块化"设计思路：通过将多个低铝QB（85% Al）与高铝HIL（95% Al）组合，可在不增加电压的情况下将总输出功率提升至200mW/cm2，满足大空间消毒需求。

未来研究方向主要集中在三个维度：首先开发基于SiC衬底的AlGaN异质结构，通过降低晶格失配度（从3.5%降至2.1%）进一步提升载流子迁移率；其次探索过渡金属（如Fe）的异质掺杂技术，可将MQWs的辐射复合效率提升至98%；最后，研究团队正在尝试将石墨烯量子点注入层与AlGaN异质结结合，有望突破现有载流子注入效率瓶颈（当前效率约85%），使EQE达到3%以上。

这项研究不仅为LED能带工程提供了新的理论框架，更在器件设计层面实现了关键突破。通过精确调控QB和HIL的铝含量梯度，成功解决了载流子注入效率与电子泄漏的矛盾关系，为开发安全高效的大功率远紫外-C消毒LED奠定了坚实基础。据研究预测，在现有技术路径下，未来3-5年可实现EQE突破5%的技术目标，工作电压降至20V以下，推动远紫外-C LED在家庭医疗、食品加工等领域的规模化应用。