1 工作简介

         ——通过缺陷工程克服III族氮化物发光二极管中的非对称载流子注入

注入效率是决定发光二极管(LED)量子效率的重要因素之一。在GaN基LED器件中，注入电子冷却时间远长于空穴，导致大量注入电子无法在有源区发生辐射复合，泄漏至p型层。通常的解决办法是引入电子阻挡层来缓解热电子泄漏，但这会带来工艺复杂程度增高和空穴传输被抑制等问题。

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、黎大兵团队和宁波东方理工大学魏苏淮团队合作，针对GaN基深紫外LED载流子注入瓶颈问题开展理论研究。本研究揭示了载流子注入的严重不对称性的物理根源为电子在导带内受准能隙限制导致弛豫极慢（平均自由程远超空穴），极易产生漏电损失。然而，传统阻挡层方案又会阻碍空穴传输。为此，该工作提出利用缺陷工程，在GaN/AlN量子阱界面主动引入氮空位，将其作为电子弛豫的“阶梯”并利用其扰动势增强电子-声子耦合。通过第一性原理与非绝热分子动力学模拟证明，该方法将电子弛豫时间从8.61 ps大幅缩短至0.15 ps，实现了量级跨越并使其与空穴弛豫速度相匹配。

本研究建立了“缺陷诱导载流子动力学调控”理论框架，从电子结构连续性与声子耦合角度解释了GaN体系中非对称注入的根源，弥补了长期以来仅依靠能带工程或外加势垒的经验性策略；引入时间域非绝热分子动力学研究载流子弛豫，为研究深能级缺陷、非平衡载流子输运等提供了普适方法，可推广至SiC、β-Ga₂O₃等宽禁带材料体系；加强“有益缺陷”的概念，为从“缺陷抑制”走向“缺陷利用”提供了理论支撑。

相关成果以“通过缺陷工程克服III族氮化物发光二极管中的非对称载流子注入Overcoming Asymmetric Carrier Injection in III-Nitride Light-Emitting Diodes through Defect Engineering”为题发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)，论文的第一作者为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的杨喻心博士，通讯作者为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的石芝铭研究员、孙晓娟研究员、黎大兵研究员和东方理工大学的魏苏淮教授，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所为第一单位。

2 主要作者简介

第一作者

杨喻心，宁波东方理工大学博士后。

2025年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得凝聚态物理专业理学博士学位。从事宽禁带半导体载流子动力学理论研究，在载流子注入机制、缺陷调控及电声耦合等方面取得系统性成果。以第一作者在 Physical Review Letters、The Journal of Physical Chemistry Letters、Materials Today Physics 等国际期刊发表学术论文5篇，主持国家自然科学基金专项项目和博士后科学基金面上项目，曾获国家奖学金。

通讯作者

石芝铭，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员，博士生导师，国家级青年人才。

主要从事宽禁带氮化物半导体缺陷调控及高效掺杂方法的理论研究。以第一/通讯作者在Phys. Rev. Lett.、ACS Nano、Advanced Science、Small等期刊发表SCI论文20余篇，授权发明专利8项。主持国家自然科学基金区域联合重点项目、国家重点研发计划课题等项目。

通讯作者

孙晓娟，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，长白英才科技创新领军人才获得者。

主要从事宽禁带氮化物半导体半导体光电器件研究，以第一/通讯作者在Phys. Rev. Lett.、AM、Light等期刊发表SCI论文100余篇，申请/授权发明专利90余项，获得吉林省技术发明一等奖（排名第一）、吉林省自然科学一等奖（排名第三）。

通讯作者

魏苏淮，宁波东方理工大学讲席教授、物理学院院长。

美国物理学会及材料研究学会会士。长期从事凝聚态理论计算研究，在半导体能带理论、缺陷与合金物理、能源材料设计等领域取得系统原创成果。发表SCI论文600余篇，包括Nature及70余篇PRL，引用超8.5万次，H指数＞140。国家重点专项首席科学家、国家基金委重大项目负责人，曾担任国际三元和多元化合物会议（ICTMC-22）及国际半导体缺陷会议（ICDS-33）大会主席。

通讯作者

黎大兵，研究员，博士生导师，中国科学院特聘研究员，国家杰出青年科学基金获得者，国家基金委创新研究群体项目负责人，长白英才杰出人才团队负责人，享受国务院政府特殊津贴，国家重点研发计划总体专家组成员。

主要从事宽禁带半导体半导体材料与器件研究，相关研究成果在NC、PRL、Light等国际学术期刊上发表100余篇论文，申请/授权发明专利100余项；获得吉林省自然科学一等奖2项（第一完成人）、吉林省技术发明一等奖（第一完成人）等。担任中国电子学会理事、《Journal of Semiconductors》副主编、《Science China Physics，Mechanics & Astronomy》、《Scientific Reports》编委、OSA高级会员。

3 原文传递

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/kt15-x472