北京大學物理學院凝聚態物理與材料物理研究所、寬禁帶半導體研究中心、人工微結構和介觀物理全國重點實驗室、納光電子前沿科學中心許福軍、沈波團隊創新提出III族氮化物外延薄膜應力連續可控調制新技術路線，成功實現了高性能中波紫外（UVB）發光器件的制備。相關成果以“采用晶格調控框架的高性能III族氮化物UVB發光器件堆垛”（Stacking III-nitride ultraviolet-B light emitters with high efficiency via a lattice-engineered architecture）為題，于2025年8月4日發表于《先進材料》（Advanced Materials）。 

III族氮化物AlGaN基紫外光源在國防、公共衛生等領域有重要應用，特別是中波紫外光源（280-320 nm）在生物醫療方面具有不可替代的應用前景。目前，中波紫外LED（UVB-LED）面臨電光轉換效率低下的難題，其根源在于器件結構堆垛中，AlN模板與低Al組分AlGaN外延薄膜之間存在很大的晶格失配，因此AlGaN外延過程中承受極大的壓應力（AlGaN的面內晶格常數大于AlN），導致位錯缺陷增殖以及表面形貌糙化，直接造成器件效率（特別是內量子效率）低下。通過調控AlN模板中的應力（引入張應力），是減小AlN與AlGaN之間晶格失配，提高AlGaN外延質量的有效手段。但是目前尚缺乏大幅度可控調制AlN應力的有效途徑。 

針對上述難題，北京大學團隊提出了一種基于MOCVD金屬有機源原位預處理的AlN應力調控新技術路線，通過預處理過程中金屬有機源分解產生的碳原子的沉積，在晶圓表面形成高密度多孔的納晶石墨掩膜，引起AlN生長過程中的側向外延過程。并通過側向外延過程中相鄰晶面間的彈性貼合，在AlN外延薄膜中引入張應力。實驗表明，通過預處理條件（處理時間、金屬有機源流量等）變化可以實現AlN應力的連續調控。通過該技術路線，最終實現了張應力2.51 GPa（對應張應變為0.51%）的AlN模板，其面內晶格常數a與Al組分79%的AlGaN相同，極大減小了AlN模板與后續AlGaN外延薄膜之間的晶格失配，并由此實現了Al0.4Ga0.6N薄膜的高質量外延。以此為基礎，310 nm多量子阱有源區的內量子效率達到創紀錄的65.7%，同時310 nm UVB-LED的電光轉換效率達到4.88%，位居國際報道先進水平。

圖a：MOCVD原位金屬源預處理示意圖，圖b：AlN模板的截面HAADF-STEM圖像，圖c：AlN模板的EDS圖像，圖d：HAADF-STEM圖像的幾何相分析結果，圖e：AlN模板的XRD倒空間mapping結果，圖f：波長310 nm多量子阱有源區的內量子效率（變溫PL）測試結果。 

北京大學博士生張子堯為該論文第一作者，王嘉銘特聘副研究員、許福軍教授和沈波教授為共同通訊作者。該工作得到了葛惟昆教授的指導和幫助，北京大學寬禁帶半導體研究中心郎婧、鞠光旭、康香寧、秦志新、楊學林、唐寧、王新強等老師和部分同學亦對該工作做出了貢獻。 

該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市科委重大項目、北京順義區科技項目及北京中博芯半導體科技有限公司等的大力支持。 

論文原文鏈接

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202508380

（來源：北大物理人）