铝镓氮（AlGaN）基的紫外 B 波段发光二极管（ultraviolet-B light-emitting diodes，UVB-LEDs），指的是一种能够发出覆盖 280 至 315 纳米之间波长的紫外光的发光器件，主要应用于人类皮肤病治疗、提高动物体内维生素 D 水平、促进次生植物代谢物的生成等方面。
目前，由于缺乏能和 UVB-LED 的多量子阱（multiple quantum wells，MQWs）晶格匹配的 AlGaN 基板，UVB-LED 多量子阱与衬底之间存在着严重的晶格失配问题，这在很大程度上限制了 UVB-LED 的发展，导致目前在国际范围内同时具备低工作电压、高光输出功率和良好稳定性等优点的 UVB-LED 仍然较为少见。
为了开发同时满足上述优点的 UVB-LED，推动其迈向大规模产业化应用，北京大学王新强教授团队联合松山湖材料实验室，提出一种衬底驱动应变调控方法，通过对纳米图形化蓝宝石衬底（nano-patterned sapphire substrate，NPSS）上的周期型纳米孔的孔径进行调控，将氮化铝（AlN）基板中的压缩应变，精确地控制为轻微拉伸应变，实现了对 AlGaN 基底和 MQWs 质量的有效提升。
图丨 a）常规 UVB-LED 结构，b) 用于 UVB-LED 的传统应变调制法，c) 用于 UVB-LED 的衬底驱动应变调控（来源：Advanced Functional Materials）
基于上述方法，该团队获得了高质量的 Al0.55Ga0.45N 底层（厚度为 2 微米）和多量子阱，最终成功制备了峰值波长为 303.6 纳米的高性能 UVB-LED。“当注入电流为 20 毫安时，该 20 × 20 mil² UVB-LED 芯片的电光转换效率可以达到 3.27%，高于目前市面上大多数 UVB-LED 的电光转换效率。”王新强表示。
图丨 a）室温下 UVB-LED 芯片的正向 I-V 特性和功率-电流曲线。插图为半对数电流坐标下的 I-V 曲线。b）UVB-LED 芯片的效率-电流曲线。c）不同注入电流下 UVB-LED 芯片的 EL 光谱。插图显示了 EL 光谱峰值位置随注入电流的变化。d）100 mA（75 A cm-2）注入电流下的归一化光功率-老化时间曲线。左侧插图为预测的光功率随对数时间坐标变化的曲线图。右侧插图显示了 UVB-LED 芯片在老化过程中的图像（来源：Advanced Functional Materials）
2022 年 11 月 14 日，相关论文以《通过衬底驱动应变调控为高性能 UVB-LEDs 的制备铺平道路》（）为题在 Advanced Functional Materials 上发表 [1]。
图丨相关论文（来源：Advanced Functional Materials）
北京大学物理学院博士研究生李泰为论文的第一作者，松山湖材料实验室康俊杰副研究员和北京大学物理学院王新强教授为论文的共同通讯作者。
图丨科研人员观察刚生长出的 4 英寸的 UVB-LED 晶圆（来源：王新强）
据介绍，在研究 UVB-LED 之前，他们大概用了三四年时间，集中开展对 275 纳米波段的 UVC-LED 的研究，并曾于 2020 年在相同的杂志上发表了一篇利用高性能 UVC-LED 实现一秒内快速、完全杀灭新冠病毒的文章 [2]。
后来，当他们发现在 UVC-LED 上使用的 NPSS，也同样可以被用到波长更长的 UVB-LED 上时，就开始转向对后者的研究。不过，需要说明的是，从材料生长的角度来看，UVB-LED 的难度明显更大。
为此，他们提出了一个想法，即将 AlN 的晶格适当地进行拉伸，使其与叠在上层的材料的晶格保持接近，希望这样能够使生长在其上的 AlGaN 底层和 UVB 多量子阱具有更高的晶体质量。
在实验过程中，他们挑选了三个孔径分别为 550、650 和 750 纳米的 NPSS 进行 AlN 模板的生长，发现三者由于孔径的不同导致 AlN 模板的应变存在显著的差别。其在这些差别的基础之上，对基于这三者制备出的 UVB-LED 的 AlGaN 底层晶体质量、多量子阱发光效率以及芯片的发光强度等进行了多方位比较，进一步证实了想法的可行性。
图丨 a）纳米图形化蓝宝石衬底（NPSS）表面的原子力显微镜（AFM）图像（扫描面积 10 × 10μm²）。b）D750-AlN、D650-AlN 和 D550-AlN 的拉曼光谱。c）D750-AlN，d）D650-AlN，e）D550-AlN 表面的原子力显微镜（AFM）图像（扫描面积 10 × 10μm²）（来源：Advanced Functional Materials）
通过对实验结果和产品化方面的综合考虑，该团队最终选择了孔径为 600 纳米的 NPSS，并完成了经济质量和器件性能兼具的 UVB-LED 的制备。
“现在市场上 UVB-LED 的效率整体还是比较低，与普通蓝光 LED 的差距非常大，如果能将其效率提升到百分之十几，市场将会迎来飞速的发展。而就该研究中所得到的 UVB-LED 而言，虽然从节能、效率、市场拓展等方面来看，还拥有很大的提升空间，但结果已经很不错，不比那些进口的产品差。”王新强表示。
未来，基于该研究，他和团队也会从材料、出光模式、晶体质量等维度入手继续探索，助力 UVB-LED 效率的不断提升，并将研究成果推向产品化。
此外，王新强表示：“我们一直认为，培养科研人员提出问题、分析问题和解决问题的能力，才是科研的最终目的。虽然我们最后得出的成果是一篇论文，但实际上它只是科研过程的一个总结，通过发表得以展示给其他人，避免他们再花费时间做类似的研究。”
参考资料：
1.T., Li, W., Luo, S., Liu. et al. Paving the Way for High-Performance UVB-LEDs Through Substrate-Dominated Strain-Modulation.Advanced Functional Materials (2023). https://doi.org/10.1002/adfm.202208171
2.S., Liu, W., Luo, D., Li.et al. Sec-Eliminating the SARS-CoV-2 by AlGaN Based High Power Deep Ultraviolet Light Source. Advanced Functional Materials (2021). https://doi.org/10.1002/adfm.202008452