hBN基电致发光器件：电压 “一键切换” 紫外-可见光

核心突破：一片器件，两种发光，电压说了算

六方氮化硼（hBN）是典型超宽禁带半导体（~6 eV），具备优异热稳定性、化学惰性与高击穿场强，是深紫外光电子、量子光源的理想材料。但hBN 的 n 型掺杂极难实现，传统施主杂质易形成深能级，导致载流子浓度低、电致发光效率差，严重制约器件应用。

研究团队采用磁控共溅射技术，在 p 型 GaN 衬底上外延生长 In 掺杂 hBN 薄膜，构建p‑n 异质结，精准调控铟原子取代硼晶格位点，一举攻克两大难题：

1. 实现高效 n 型导电：载流子浓度达3.87×10¹⁸ cm⁻³，迁移率显著提升，为高效载流子注入奠定基础。

2. 解锁电压可控双波段发光：

• 低偏压（>6 V）：In‑doped hBN 层输出紫外光（332 nm、378 nm）；

• 中低电压（<14 V）：GaN 区主导蓝光（447 nm）；

• 高电压（>14 V）：GaN 区切换为紫外‑紫光（377 nm），并伴随宽谱可见光发射。

简单说：只改变驱动电压，就能在紫外与可见光之间 “一键切换”，单片器件实现传统双 LED 才能完成的功能。

机理揭秘：缺陷工程 + 能带调控，双波段协同发光

结合 *第一性原理计算（DFT）* 与高分辨表征，团队阐明发光机制：

• In 取代 B 原子：在 hBN 禁带中引入中间能级，成为高效复合中心，触发紫外发射；

• GaN 本征缺陷：Mg 相关缺陷贡献蓝光，C 相关缺陷贡献黄绿光带；

• Type‑I 型能带排列：电子与空穴被有效限制在窄带隙 GaN 侧，大幅提升辐射复合效率。

HRTEM、XRD、XPS 等结果证实：异质结界面清晰、晶格匹配度高，In 以化合态均匀掺杂，无金属团簇，结构稳定可靠。

应用前景：深紫外光电 + 智能照明，迎来 “单片可调” 新时代

这项成果为多个领域带来变革可能：

• 深紫外光电器件：低成本、低温制备，替代传统有毒前驱体与超高真空工艺，用于紫外消毒、防伪、气相探测；

• 自适应固态照明：单芯片实现冷白光‑暖白光连续调谐，用于智能照明、显示；

• 集成光子芯片：单片双波段发射，无需多器件拼接，大幅缩小系统体积、简化驱动电路；

• 量子光源：hBN 缺陷发光可拓展至单光子源，结合电压调控，赋能量子通信、量子传感。