中国科学院宁波材料技术与工程研究所，中国科学院宁波材料技术与工程研究所招聘
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钱江晚报·小时新闻记者 郑琳

发布人简介：郭炜，中国科学院宁波材料技术与工程研究所项目研究员、博士生导师。入选中科院青年创新促进会会员、浙江省“钱江人才”称号。博士毕业于美国北卡罗来纳州立大学，长期从事宽禁带半导体材料与器件研究，主要研究兴趣包括ＧａＮ、ＡｌＧａＮ材料外延、薄膜极性调控，紫外ＬＥＤ和新型电力电子器件开发等。在领域高水平期刊中发表论文７０余篇，申请发明专利２０余项；主持了国家自然科学基金联合基金、面上项目、中科院科研仪器设备研制项目、浙江省杰青等课题。担任紫外ＬＥＤ专委会专家、《光子学报》青年编委。

成果简介：面向国家对于高端半导体芯片国产化替代的战略需求，针对固态紫外光电子器件在军事预警、保密通讯、以及疫情防控、快速杀菌消毒等领域的急切需求，开展ＡｌＧａＮ宽禁带半导体材料生长以及全固态深紫外发光器件（ＤＵＶ－ＬＥＤ）的研究，有望在《水俣公约》框架下加速传统含汞气体灯的淘汰和替换，并实现后端应用的推广。在国内率先研制出基于衬底斜切角调控的高效率深紫外发光器件，内量子效率＞９０％，外量子效率＞５％，达到领域领先水平；利用氮化物薄膜的极化工程制备了“自供电紫外探测器”和“自隔离ＧａＮ高电子迁移率晶体管”，为后摩尔时代新型器件的研发提供了思路；开发了具有自主知识产权的高温紫外辅助ＭＯＣＶＤ设备，弥补了传统ＭＯＣＶＤ设备在超宽禁带半导体材料和掺杂方面的缺陷，为半导体材料的生长和芯片国产化替代提供了平台。项目拟打通产业链上下游，通过高性能芯片的开发带动下游应用，重点是面向食品冷链、包裹快递以及公共场所的杀菌消毒开发多款固态紫外光源消杀模组。

目前，半导体材料以硅为主，但是硅材料本身会有一些局限性。随着摩尔定律的发展，传统硅基器件已经无法满足半导体芯片高密度、高功率集成需求。因此化合物半导体特别是第三代半导体诸如GaN、AIGaN等的应用会扩充半导体材料的应用场景。

郭炜团队主要研究的是基于宽禁带半导体材料的固态紫外发光技术。以AIGaN这种三元化合物为例，铝离子和镓离子两种离子的比例不同会影响材料的禁带宽度，从而对应不同的发光波长。AIGaN半导体材料的发光波长在400纳米以下，它的波长比紫光还短，是我们人眼看不到的，因此称之为紫外光。值得指出的是，不同的波长区间对应的应用领域也有着显著的不同。例如３６０－４００ｎｍ波长下常用于油墨、涂料的固化，300－360nm紫外光可以应用于皮肤病的治疗。波长越短，单光子的能量越高，因此280纳米以下的紫外光可以充分利用其对于微生物遗传物质的分解破坏特性，应用于微生物的杀菌消毒。

传统上的杀菌都是用化学药剂，但化学药剂喷洒存在局限性，对食物处理、冷链杀菌等方面就有明显的不足。相比之下，物理杀菌方法会更加快速便捷，而且没有二次污染，这就是紫外消毒可以替代传统消毒的根本原因。

我们基于AIGaN材料的全固态半导体芯片用于紫外消毒，可以利用其体积小、安全稳定的特点，放在冰箱、空调出风口里面进行自动的病毒消杀。此外，飞机机舱、公共汽车等密闭场所的紫外线消杀，目前国外也已经开展了类似的应用。

尽管拥有巨大的市场前景，但深紫外ＬＥＤ的研究还处于起步阶段，它的主要的问题在于电光转换效率不足，相比与目前已经大规模产业化的蓝光LED，深紫外LED的效率和功率还不能支撑后端的应用。

针对这些问题，郭炜团队最近做了一些工作。

第一是紫外LED内量子效率优化，主要方法是通过生长更为优质的材料，以及通过“更聪明”的结构设计，实现微观尺度电子和空穴的高效复合。第二点，即使产生足够的紫外光子，光子仍有可能被限制在我们的器件里，无法被外界捕获，用什么办法提取光子，需要对紫外LED的结构进行一些改进。因此，我们采用了基于金属铝的高反射电极，提高了电极对于器件内部紫外光子的反射效应，从而提高了器件的综合特性。

在紫外探测器的应用方面，固态紫外探测器对于森林火灾或者是导弹尾焰的预警具有十分重要的意义。该团队充分利用了AIGaN宽禁带半导体材料内部的“自发极化”特性，设计并开发了一种新型的“自供电”日盲紫外探测器，其器件性能指标达到了领域前列，且因为能够在无外界供能的条件下进行紫外光的探测，因此具有能耗低、可靠性高的特点。

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