大连理工大学与清华大学合作团队：基于电容瞬态谱揭示InGaNGaN多量子阱中非对称载流子 ...

背景与痛点（Why）

InGaN/GaN多量子阱是高亮LED、半导体激光器及Micro-LED等核心光电子器件的基础结构。在强内置极化电场的作用下，量子阱中的载流子捕获、局域化及逃逸动力学过程极为复杂。其中，载流子从量子阱2D束缚态逃逸至3D连续态，是导致器件漏电与量子效率下降的重要原因。然而，传统的电学与光学表征方法难以精准定位并分离量子阱中独特的载流子响应；此前研究也往往忽视了极化场诱导的量子态动力学对宏观空间电荷分布的深层调控，制约了对极化量子结构非平衡物理过程的精确认知。因此，深入理清载流子在极化量子阱中的输运与演化规律，对优化多量子阱器件的结构设计与性能提升具有重要意义。

核心突破（What）

针对这一难题，大连理工大学与清华大学合作团队利用自研的光电协同瞬态测试系统，结合电容瞬态谱（Capacitance Transient Spectroscopy），通过精确调控偏置电压来分辨耗尽层扩展与收缩的非平衡过程，系统揭示了InGaN/GaN多量子阱中载流子的非对称动力学与空间电荷补偿机制：

• 非对称势垒与热激活能提取：由于极化电场诱导的势垒高度非对称性，2D束缚态到3D连续态的势垒高度显著降低，团队成功提取出104–119 meV的热激活能。
• 空间电荷动态补偿机制：热激发至3D连续态的电子因受到另一侧较高势垒的阻挡而无法完全逃逸，转而在空间电荷区边缘形成动态积累。这种电荷的充放电过程打破了原本的静电平衡，起到了“空间电荷补偿”的作用，从而驱动耗尽区发生宏观再分布，导致了电容瞬态信号的异常响应。
• 定量建立物理模型：研究首次建立了有效电荷浓度与实际参与热激活的量子阱数量之间的定量对应关系，证实了该响应源于量子阱本征态而非传统点缺陷。

图1 偏置电压变化扫过激活前后的量子阱，载流子对空间电荷区的补偿作用差异导致耗尽区发生异常演化（图示展示了偏置电压升降对势垒与电容C的调控机制）

前景与应用（Outlook）

该工作打破了传统点缺陷模型对量子阱电学瞬态信号的解读局限，为理解氮化物量子结构中的载流子输运与空间电荷演化提供了全新的物理框架。研究成果不仅澄清了极化量子器件中长期存在争议的非理想热激活现象，更为优化微尺寸器件（如 Micro-LED）的极化势垒设计、抑制非辐射复合及提升载流子注入效率提供了明确的技术路线。

团队介绍

本研究由大连理工大学光电工程与仪器科学学院与清华大学电子工程系（宽禁带半导体超越照明材料与技术全国重点实验室）合作完成。大连理工大学王子兰副教授与清华大学汪莱教授为论文的共同通讯作者，大连理工大学王子兰副教授和清华大学博士生刘波为共同第一作者。

合作团队长期致力于宽禁带半导体材料与光电子器件研究，特别是在半导体光电子器件物理、少子/多子缺陷深级次谱学表征及自研测量装备开发等方面开展了系列工作。团队自主设计并搭建了新型缺陷表征系统，在传统深能级瞬态谱系统的基础上，扩展了针对器件特性的多维表征功能；同时开发了自动化数据处理程序，为复杂物理过程的快速解算与分析提供了便捷高效的工具平台。

图2 自主搭建的时域-频域-温域多维导纳谱学表征系统设备图及操作界面

科研故事

“在初期采用DLTS测试量子阱器件时，出现的‘反常’负峰与传统点缺陷理论完全背道而驰。但经过团队深入探究，以及对频域导纳谱与时域瞬态信号的严谨对比分析和反复建模，我们突然意识到：这并非少数载流子陷阱或界面态，而是极化势垒下载流子在量子阱2D能级到3D连续态间跳跃并引发空间电荷重分布的直接物理印记！正是对实验异常细节的坚持追问，最终引导我们揭开了这个被忽视多年的物理机制。”

文章信息

Unveiling asymmetric carrier dynamics and space-charge compensation in InGaN/GaN multiple quantum wells via capacitance transient spectroscopy

Zilan Wang; Bo Liu; Xue-Qi Wang; Guochen Wei; Francis Chi-Chung Ling; Lai Wang

Appl. Phys. Lett. 128, 253310 (2026)

https://doi.org/10.1063/5.0340402

来源：AIPP学术

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