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武漢大學周圣軍團隊在LED研究領域取得系列進展

2021-09-28 08:51 來源:武漢大學

近日,武漢大學周圣軍教授研究小組在國際知名期刊Applied Physics Letters,Optics Letter和Optics Express在線發表了GaN基LED芯片的最新研究成果。

III族氮化物LED以其低能耗、長壽命和體積小等優點,逐漸成為傳統光源的重要替代。一般來說,InGaN量子阱中銦(In)含量越高,LED發光波長越長。然而,隨著銦組分的增加,InGaN量子阱面內壓應力升高,會產生較強的極化場,導致InGaN基黃光LED量子效率仍然比藍光LED低很多。

周圣軍教授研究小組擴展了能帶工程在長波段LED中的應用,并分析了階梯形量子阱對器件光電性能和晶體質量的影響。與方形量子阱LED相比,具有階梯形量子阱的黃光(?570 nm)LED表現出更高的光輸出功率及更優的晶體質量,研究結果以《Rational construction of staggered InGaN quantum wells for efficient yellow light-emitting diodes》為題發表在國際權威期刊《Applied Physics Letters》。

論文第一作者為武漢大學博士生趙曉宇,論文通訊作者為周圣軍教授,武漢大學為論文第一作者和通訊作者單位。

武漢大學周圣軍團隊在LED研究領域取得系列進展

圖片來源:武漢大學

AlGaN基深紫外(DUV) LED在殺菌消毒方面引起了廣泛關注。外延生長在藍寶石之上的AlN對紫外光透明并且具有價格優勢,是目前應用最廣泛的AlGaN基DUV LED襯底。然而,AlN和藍寶石之間較大的晶格常數失配導致外延生長的AlN薄膜中存在高密度的位錯,限制了AlGaN基DUV LED外量子效率的進一步提升。

周圣軍教授研究小組設計了一種交替V/III比的AlN超晶格結構,實現了較低生長溫度(1180 攝氏度)下AlN薄膜的高質量外延生長。利用透射電子顯微鏡證明了交替V/III比的AlN超晶格結構可以引發穿透位錯的傾斜,從而增加了穿透位錯之間反應的幾率,促進了位錯的湮滅。

此外,傾斜的位錯還在平行于c面的方向上提供了失配位錯的分量,從而促進了生長過程中張應變的釋放,消除了開裂的風險。相關研究結果發表在國際權威期刊《Applied Physics Letters》,論文題目為《Strain management and AlN crystal quality improvement with an alternating V/III ratio AlN superlattice》。

論文共同第一作者為唐斌、萬澤洪和胡紅坡,論文通訊作者為周圣軍教授,武漢大學為論文第一作者和通訊作者單位。

武漢大學周圣軍團隊在LED研究領域取得系列進展

圖片來源:武漢大學

由于InGaN基LED具有可調發射光譜,對紅、綠、藍三色LED色彩混合是實現全彩Micro-LED顯示的有效途徑。為解決InGaN基綠光LED芯片外量子效率較低的問題,周圣軍教授研究小組運用能帶工程技術,重點研究了堆疊式GaN/AlN量子勢壘對InGaN基綠光LED光電性能的影響。

結果表明,在AlN/p-GaN界面產生的極化誘導面電荷可以加速空穴,并且GaN/AlN中的AlN層可以實現空穴的帶內隧穿從而有利于空穴注入到有源區,同時也提高了電子的有效勢壘高度。

由于提高了空穴注入效率和抑制了電子泄漏,采用此結構的綠光LED發光效率得到顯著提高,研究結果以《Stacked GaN/AlN last quantum barrier for high-efficiency InGaN-based green light-emitting diodes》為題發表在國際權威期刊《Optics Letters》。

論文共同第一作者為陶國裔和趙曉宇,論文通訊作者為周圣軍教授,武漢大學為論文第一作者和通訊作者單位。

武漢大學周圣軍團隊在LED研究領域取得系列進展

圖片來源:武漢大學

為進一步提高綠光LED效率,周圣軍教授研究小組開發了由濺射AlN和中溫GaN組成的復合成核層。在復合成核層之上繼續外延生長GaN時,由于減小了GaN與藍寶石之間的晶格常數適配,GaN傾向于橫向生長,因此在GaN外延層中形成了層錯結構。層錯結構的產生有效的促進了應力的釋放,減少了穿透位錯的密度。

此外,結合變溫熒光光譜和時間分辨熒光光譜實驗證明了生長在復合成核層之上的InGaN/GaN多量子阱中形成了更深的局域態,因此進一步提高了InGaN/GaN綠光LED的內量子效率。研究結果以《Toward efficient long-wavelength III-nitride emitters using a hybrid nucleation layer》為題發表在國際權威期刊《Optics Express》。

武漢大學周圣軍團隊在LED研究領域取得系列進展

圖片來源:武漢大學

論文共同第一作者為唐斌、宮麗艷和胡紅坡,論文通訊作者為周圣軍教授,武漢大學為論文第一作者和通訊作者單位。

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