近日，宁波东方理工大学理学部物理学院院长、讲席教授魏苏淮，联合中国科学院长春光学精密机械与物理研究所石芝铭、孙晓娟、黎大兵团队，在宽禁带氮化物载流子动力学研究方面取得重要进展，提出通过界面缺陷工程加速电子冷却的新策略，有效解决了长期困扰氮化物紫外发光二极管(LED)效率的载流子不对称注入问题。该成果于2025年7月8日以“Overcoming asymmetric carrier injection in III-nitride light-emitting diodes through defect engineering”为题发表在物理学顶级期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

第一性原理计算揭示了界面缺陷促进电子冷却的物理机制

　　AlGaN基紫外LED作为下一代高密度光存储、杀菌消毒、和空气净化等领域的核心器件，其效率瓶颈的一个关键在于电子与空穴冷却速率的不对称性：电子能量弛豫过程显著慢于空穴，导致辐射复合效率低下。传统方案常通过引入电子阻挡层(EBL)以提升电子注入效率，但存在设计复杂、额外势垒和材料不兼容等问题，难以从根本上优化载流子动力学。

　　魏苏淮教授和石芝铭、孙晓娟、黎大兵研究员团队基于对氮化物能带结构和载流子动力学的分析，首次提出通过调控GaN/AlN量子阱界面的氮空位缺陷，实现对电子冷却速率的有效增强。这些缺陷状态作为中间能级，能够显著加强电子-声子相互作用，从而加速电子向导带底冷却。第一性原理计算表明，该策略可使电子冷却时间缩短超过一个数量级，有效实现与空穴冷却速率的动态平衡，大幅提升发光效率。与传统EBL结构相比，该方法无需额外结构设计，即可实现电子动力学的精准调控。该研究还进一步拓展了半导体缺陷物理的研究边界，系统验证了缺陷在调控器件性能方面的“有益性”作用，颠覆了缺陷是有害的传统认知，为新一代电子与光电子器件的缺陷工程设计提供了理论支撑和新思路。

　　上述成果深化了对宽禁带氮化物中载流子动力学与缺陷相互作用机制的理解，对提升紫外LED内量子效率、实现高性能光电器件具有重要意义。

图1 (a)GaN/AlN 量子阱载流子动力学示意图：左侧为在本征体系，Eg2 的存在导致了电子冷却缓慢;右侧为Eg2中引入缺陷能级导致态密度增加，从而加速冷却。氮化镓热载流子的冷却过程(b)和平均自由程(c)。

图2 点缺陷在量子阱内的空间分布和缺陷状态的能量分布

　　该论文的第一作者是中国科学院长春光机所博士生杨喻心，通讯作者是石芝铭研究员、魏苏淮教授、孙晓娟研究员和黎大兵研究员。

　　论文链接：https://doi.org/10.1103/kt15-x472

　　魏苏淮教授现任宁波东方理工大学讲席教授、物理学院院长，国家重点专项首席科学家，国家基金委重大项目负责人，美国物理学会会士(APS Fellow)，美国材料研究学会会士(MRS Fellow)。1981年本科毕业于复旦大学并通过CUSPEA项目去美国留学，1985年在美国威廉玛丽学院取得理学博士学位，1985年-2015年在美国可再生能源国家实验室(NREL)工作，2015年回国前担任NREL理论研究室主任，国家实验室Fellow，2015年-2024年任北京计算科学研究中心讲席教授、材料与能源研究部主任。在半导体能带理论、缺陷与合金物理、能源与光电材料设计、计算方法等方面取得了系统的原创性成果。已发表Nature，Nature子刊，Science子刊等SCI论文600余篇，包括70余篇PRL。论文引用大于84000多次，H因子140。