康俊勇教授团队针对传统量子限域模型的局限性，从轨道层面深入分析高Al组分AlGaN量子态的非限域作用，提出量子限制新机制，在带阶之外还应综合考虑轨道耦合。在此基础上，通过轨道耦合工程调控轨道取向，增强量子结构的限制效应，提升辐射跃迁几率。其中的技术储备可为具有强极化轨道作用的半导体量子结构功能设计提供更多的可能性。

提及现代光电器件的应用设计，实现介观尺度下载流子限制是器件高效发光的关键。传统量子限制利用了阱和垒之间的异质结构带阶，结构设计上却忽略了原子轨道取向对量子限制的影响。特别是量子结构在原子尺度下，应考虑晶格的不连续性。对于高度极化的晶格结构如AlGaN材料，不连续性尤为突出。课题组此前的研究表明c面上高Al组分量子阱中空穴量子限制呈现反常。抛开量子能级轨道构型的考量，人们普遍认为最低量子能级的载流子比更高量子能级的载流子具有更强的量子限制。由于高Al组分AlGaN价带顶量子能级由pz轨道控制，量子阱中的反常辐射带间跃迁与pz态相关的跃迁势必关系紧密。对于量子限制，能带带阶不足以解释反常量子限域行为，因此在带阶之外还应综合考虑轨道构型在约束方向上引起的能量增益。现有的认知对于量子阱中量子限制方向上的轨道耦合机制仍很有限，迷局亟待破解。

为了探究量子阱中的轨道耦合，本工作考察了价带顶原子间pz轨道相互耦合引起的势垒区和阱区之间的能量变化。轨道耦合引发的能量变化大小可以与由势垒和势阱体材料的带阶相比拟，其中ppσ轨道耦合能量变化项易导致带阶补偿，而ppπ耦合能量变化项则成就了势垒增强。量子限制的能量变化依赖于轨道耦合方向，这一特性为通过改变量子限制方向实现量子限制提升的创新设计提供了一条途径。基于轨道耦合作用与量子结构取向的关系，提出了通过调控轨道取向，进而改变轨道耦合作用所形成的能量增益，实现调控量子限域效应的轨道工程。通过在半极性平面和非极性平面上构建量子结构，倾斜量子阱平面，此时价带顶处p态的分布显现出更高的量子阱势（图1），所呈现的能带结构进一步证实了量子限制的增强。当电荷被限制在量子阱中时，与空穴轨道有关的自发辐射得到了提升。在半极性和非极性平面上构建的量子阱呈现出比在极性平面上的量子阱更高的跃迁几率。

图1 倾斜AlGaN/AlN量子阱价带顶电子结构。图中AlGaN/AlN量子阱模型的pz轨道的电荷密度为0.02e/Å3的等值面（浅绿色）。90°倾斜量子阱分别在非极性（）面和（）面上构建。

为了更好的理解和验证理论预测，采用金属有机物气相外延技术，在图形化蓝宝石衬底上制备了六角微米柱，进一步在微米柱半极性和非极性平面外延生长量子结构，并进行了光谱表征。根据空间分辨的扫描电子显微镜-阴极荧光图像（图2）所观察到的微米柱形貌分析，发光峰来源于不同取向平面的量子阱带边光发射。即使从金字塔顶部进行室温阴极荧光表征，源自于侧壁非极面较短波长的发光仍高于较长波长的发光强度，印证了非极性平面上的量子阱发射强度较高的理论预测。轨道工程为基于高Al组分AlGaN的高性能光电器件设计和优化提供了新的起点，将有助于其他新型半导体材料和光电器件的研究开发。

图2 倾斜平面量子阱的扫描电子显微镜-阴极荧光图像

相关研究成果《Reversing abnormal hole localization in high-Al- content AlGaN quantum well to enhance deep ultraviolet emission by regulating the orbital state coupling》于2020年6月18日刊登在《Light: Science & Applications》。第一作者为己毕业的2013级博士研究生陈荔，李金钗和王惠琼教授参与了课题合作，林伟和康俊勇教授作为共同通讯作者合作指导完成本项工作。该研究成果得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目的资助支持。此工作同时得到福建省半导体材料及应用重点实验室支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-020-00342-3