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王新強主講才齋講堂第229講:氮化物半導體及其發光器件

  作為第三代半導體的最重要一員,氮化物半導體在照明、顯示、通信等諸多領域具有重要應用,市場巨大。2022年4月28日晚,北京大學物理學院王新強教授受邀主講才齋講堂,以自己的研究為實例,從原子出發,分別介紹了氮化物半導體的組成、基本特性、材料摻雜以及發光器件的發展歷史、研究現狀和發展趨勢,并展示了團隊在發光材料與器件方面的部分工作。

  

  王新強教授主講才齋講堂第229講


  王新強教授以工業革命為切入點,依次介紹了第一次工業革命的蒸汽機,第二次工業革命的電燈電話,第三次工業革命的計算機,強調它們都離不開半導體,半導體在我們生活中無處不在。以Si、Ge元素為代表的第一代半導體將人類帶入了信息時代。在上世紀50至60年代,紅光LED和綠光LED相繼誕生,但高效藍光LED卻遲遲未能實現,直到1991年藍光LED才開始商業化生產。更有突破性的是1994年研究人員在GaN基藍光LED基礎上,通過藍光激發黃光熒光粉的方法,獲得世界上第一只白光LED,并提出了半導體照明的概念。王新強教授指出,半導體照明具有高效、節能、環保、易維護等顯著特點,是實現節能減排的有效途徑;同時在氮化物應用領域,半導體照明顯示領域發展最為迅速,已形成千億美元的產業規模。


  單光子源是實現未來光量子技術(包括光量子計算、量子秘鑰分配等)的一種必要光源。迄今為止,已有多種結構和材料體系被用于實現高品質的單光子源。III族氮化物量子點具有發光波長、覆蓋面廣和振子強度大的特點,有望實現室溫應用。然而氮化物量子點系統發展至今,一直存在難以控制的微小尺寸變化,進而導致不同發射體之間發射能量相對較大的變化。因此,利用新材料或新技術開發單光子源的基礎研究至關重要。王新強教授專注于這一領域,發展出了一種由空間分離的InGaN單原子層嵌入,在GaN薄膜中形成的新型量子發射器。同時為了進一步在空間上使得周期性的In原子分離,提高光子的提取效率,通過納米壓印技術把平面結構圖形化,將其刻蝕成陣列式的柱狀結構。進一步的光學研究證明,單光子發射系統具有非常穩定的發光能量、強發光效率和高品質的二階相關度,這些都為未來光量子技術的發展提供了更多的可能性。