本刊记者  石艳美

　　
　　
　　深紫外发光二极管是近几年来迅速崛起的半导体光电器件，相比于传统的基于汞蒸汽的深紫外，它具有诸多优势，譬如直流驱动、低压驱动、无污染、便于携带，可广泛的应用于医疗消毒、水资源净化、空气净化、聚合物固化等领域，其应用前景广阔并且有巨大的经济价值。据数据统计，截至2021年，深紫外发光二极管的市场份额将达9亿美元以上。
　　然而，外量子效率较低始终是深紫外发光二极管发展中的瓶颈，阻碍着其市场占有率，为此，越来越多的科学家将目光投注于这一焦点，张紫辉就是其中之一。2015年，远从新加坡求学归来的张紫辉在河北工业大学组建起了自己的科研团队，凭借领域内8年的研究经验，张紫辉的目标是将外量子效率提高至20%以上，在全球范围内掀起一场“LED绿色技术革命”，用科学技术为“十三五计划”贡献自己的力量。
　　
极化电场调控载流子能量——首创量子效率“辉煌”
　　
　　现如今，依靠电力驱动的人工照明源(如白炽灯、荧光灯等)每年会消耗全球大约19%的电力资源，生产这部分电力资源需要排放的温室气体量占据全球温室气体排放量的6%。
　　“利用半导体照明技术取代传统的高能耗、低效率的照明手段是实现温室气体减排的一个重要策略，为了构建资源节约型和环境保护型社会，半导体照明技术革新势在必行。”张紫辉如是说。
　　目前，基于III-V族氮化物的半导体材料是半导体照明的主要组成部分。经过20年的发展，III-V族氮化物半导体材料的外延生长技术和器件工艺水平已经得到了显著的提高，III-V族氮化物半导体材料辐射光子的能量可以覆盖深紫外至红外的大部分波段。当前，绝大部分的半导体白光照明源是通过III-V氮化物半导体LED的蓝色波段激发荧光粉，从而实现蓝光和黄光的混合，因此蓝光LED的开发和研究尤为重要。
　　“虽然蓝光LED技术已经趋于成熟，依然还有诸多因素制约该器件内量子效率的进一步提升。在众多的制约因素中，LED器件内部载流子的注入效率过低也是造成efficiency droop的主要因素之一。”张紫辉大胆猜想到。
　　为了验证自己的猜想，2016年1月，张紫辉申请主持的国家自然科学基金如火如荼地开展了起来。在前期研究的基础上，张紫辉提出了一种拥有电子冷却层和空穴加速器的LED结构。通过调节该LED结构的极化场机制，可以增强载流子的的注入能力，提高器件的内量子效率，并且减少efficiency droop效应。
　　“然而，极化冷却层和空穴加速器的研究工作目前尚处于初期阶段，因此，我们拟用理论模拟结合实验测量的方式，进一步阐述极化场在提升载流子注入效率方面的促进作用。”张紫辉解释道。与此同时，他们首次提出的单极电子场效应晶体管和单极空穴场效应晶体管有助于直接表征载流子输运与极化场之间的关系。
　　根据张紫辉的科研进程，他拟从6个方面入手研究极化场对LED载流子注入效率和器件内量子效率影响，提出并系统地证实III-V族氮化物半导体内部极化场可以调节载流子自身能量，进而改善载流子的输运过程，从而提高III-V族氮化物LED器件的内量子效率和减少efficiency droop效应；明确电子极化冷却层和空穴加速器的设计所需要考虑的因素；优化并探索出电子极化冷却层和空穴加速器的最佳外延生长条件，在提高量子效率方面首创“辉煌”。
　　
电荷反转器——历史性的“一大步”
　　
　　回国之后，张紫辉的身影不是穿梭在各种学术交流会议上，就是沉浸在实验室里。作为一名科学研究者，他虽年轻有为，却深感时间紧迫。“只要功夫深，铁杵磨成针”，让人深感欣慰的是在进一步提升载流子的注入效率，提高LED器件的内量子效率方面，张紫辉又找到了一个新的突破口——电荷反转器。自申请到河北省高层次人才资助项目，张紫辉及其科研团队热情高涨，其相关研究项目“电荷反转器对DUV LED内量子效率影响的研究”便拉开了序幕。
　　根据张紫辉及其科研团队的初步计划，他们拟通过结合AlGaN基DUV LED外延、器件工艺、器件表征和器件理论计算的方式，深层次阐述电荷反转器在改进DUV LED的IQE和电学特性方面的作用。
　　“为了使科研项目顺利开展，首先要做的是构建标准GaN基DUV LED的物理参数和模型，并进行理论计算，证实并明确增加空穴注入效率有助于提高DUV LED的IQE和改善efficiency droop效应。”张紫辉说。
　　据已有科研规划，张紫辉及其科研团队将利用有机金属化学气相沉积系统外延生长标准AlGaN基DUV LED外延片，对外延片做相关表征，如荧光激发、电致激发等，利用半导体工艺设备，如等离子体刻蚀系统，对外延片做器件微加工，利用光电功率测试用积分球系统、Keithley系列半导体参数测试仪测量上述DUV LED的IQE、光功率、器件电压与外加电流之间的关系。
　　“在明确增加空穴注入效率有助于提高DUV LED的IQE和改善efficiency droop效应基础之上，构建拥有电荷反转器的AlGaN基DUV LED物理模型和参数同等重要。”谈起科研项目，张紫辉了熟于心。在这个过程中，他们将探索电荷反转器厚度、介电常数、带隙如何影响p-AlGaN层和p-型电极接触区界面的隧穿厚度，证实并明确，通过优化电荷反转器的结构，可以提高空穴通过p-AlGaN层和p-型电极接触区界面处的效率，改善DUV LED的IQE和efficiency droop效应。
　　除此之外，在DUV LED外延片基础之上，张紫辉将利用等离子体增强化学气相沉积系统、原子层沉积系统或者磁控溅射等实现电荷反转器，利用等离子体刻蚀系统等半导体工艺设备，对拥有电荷反转器的外延片做器件微加工；测量并分析该LED的IQE、光功率、器件电压与外加电流之间的关系。在此基础上，与之前的测试结果进行比较，根据理论计算结果，进行系统性分析，并得出结论：电荷反转器可以有效增加空穴注入，改善DUV LED的IQE和efficiency droop效应。
　　随着项目的顺利开展，张紫辉将带领其科研团队成功通过电荷反转器，利用半导体/绝缘层处的弱反型层，降低隧穿层厚度，增加空穴注入效率，提高AlGaN基DUV LED的IQE和降低efficiency droop效应，并且探索不同的电荷反转器对空穴注入的影响，优化电荷反转器的工艺条件，并改良LED的电学性能，如降低电阻、降低反向漏电率、增强ESD能力，在提高外量子效率方面迈出历史性的“一大步”。
　　
是科研者，亦是老师
　　
　　作为一名海外归来的学者，张紫辉也为中国的科研注入了“新鲜的血液”，当谈起国内外在学术领域的差异时，张紫辉说：“随着中国的发展，在半导体领域，中国与国际水平差距越来越小，在某些领域甚至领先于国际先进水平。在国外求学和工作期间，我因为不是团队负责人，而只作为团队的骨干成员,所以不用担心科研经费，睡觉吃饭之余，就一心一意专注于科研项目，而回国后,需要独立带领团队,同时国内例行的会议相对较多,占据了相当一部分的时间，并且由于国内现在科研水平整体大幅提高，所以申请科研经费有一定的难度，因此要及时定位发展方向，有灵敏的嗅觉发掘新兴的科研领域。”回国之后，张紫辉面临的事情更多更杂，但每每想起自己肩上担负的科研责任，张紫辉便有了更大的冲劲儿。
　　除了科研工作者，张紫辉的另一个身份是老师。谈起学生培养方面的经验，张紫辉建树颇多：“现在的学生大都是90后，接触的事物多、信息量大，因此选择专业的目的性、功利性都很强，作为老师要言传身教，加以引导。”除了学习现有的知识，张紫辉认为培养学生的逻辑思维、处理事情的能力、接受新生事物的能力也同等重要。“我喜欢用树立典型和榜样的方式来激励学生相互学习，这样他们在科研方面也会有一定的紧迫感，在学习的过程中，自然更加踏实认真。”张紫辉说。
　　在生活中，张紫辉是一个爱说笑的“大男孩儿”，心态很好的他充满着激情和正能量，上班乐呵呵的，能在实验室里待一天，能给学生修改论文到夜里两点，也刷朋友圈儿。在私下里，他和学生打成了一片，是兄弟姐妹。但这样的张紫辉遇到了科学问题，却变得很“苛刻”，比如在论文或者学术报告作图的时候，他非常追求完美，甚至连一个“字号”也不能错，同学们笑称他有“强迫症”，但张紫辉认为在面对科学和工作的时候，一点点瑕疵也不能有。
　　谈起自己组建科研团队的经历，张紫辉对河北工业大学充满着感激之情，他说：“河北工业大学以美国的MIT作为发展定位，有很大的发展空间，是国内唯一一所省、市、部共建的高校，是国家‘211’工程重点建设的大学，并入选河北省“国家一流大学建设”一层次学校，学校领导对于引进人才非常热情、非常务实，学校于2017年度实施了第一批‘元光学者’计划，为广大的科研人员提供了良好的科研条件，满足人才多方面需求。我来这里的时候，学校为我提供了天津市重点实验室作为依托平台,后期又成立了微纳光电子与电磁技术创新研究所，实验设备充足，也给予了我们这批海外归来的学者充足的经费资助，让我在两年内顺利建成了实验平台。尤其是在招生上，学校一贯秉承只要有项目，有成果，就有招生倾斜的力度。”而张紫辉也认为年轻人就得有闯劲儿，是科研的主力军，理当冲在科研一线。
　　在科研工作之余，张紫辉笔耕不辍，近4年内，他已经在Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics、IEEE、Optics Express、Optics Letters等领域内顶尖SCI期刊发表科研论文40多篇，其中以第一作者/通讯作者发表文章25篇（包括综述文章1篇），总影响因子已达140，总引用次数已达400次，单篇最高引用次数达40次，H-因子为10；受邀以第一作者身份分别为两部部学术专著（Handbook of GaN Semiconductor Materials and Devices, Handbook for Solid-State Lighting and LEDs，均由美国Taylor & Francis Group于2017年出版)各自撰写章节1章。
　　除此之外，张紫辉还申请了国内外专利技术15项（其中5项专利已经分别获得美国、新加坡、土耳其授权)，提出了具有高度创新的器件物理，并且从理论和实验层面证实了诸多新型LED器件结构，针对氮化物LED目前面临的电子逃逸、空穴注入效率低、电流拥挤、p-型欧姆接触、俄歇复合、量子阱区量子限制斯塔克效应等问题提出了解决方案，并且研究工作先后9次分别被英国Semiconductor Today杂志、美国Applied Physics Letters、德国Wiley杂志社做专门报道，或被列为主题文章、封面文章。
　　虽然在科研领域有诸多成就，但张紫辉依然事必躬亲，始终本着一颗踏踏实实做科研的心。学生，他手把手地教；实验数据，他亲自整理；科研项目资料，他亲自把关。因为科研，他牺牲了很多陪伴家人的时间，每每提及这些，他都爽朗地说：“趁年轻，就要承担责任。虽然现在比较苦，但对以后长远的发展是有益的。”“明月松间照，清泉石上流”，这样充满活力、内心清澈的张紫辉，必将在科研领域滋润和影响诸多科研人。
　　
　　
专家简介：
　　张紫辉，2006年度毕业于山东大学并获理学学士学位，2015年度毕业于新加坡南洋理工大学并被授予博士学位(2013年度完成博士论文)，2014年度和2015年度分别担任新加坡南洋理工大学项目研究员、博士后研究员，现任河北工业大学教授、博士生导师，河北省“百人计划”省级特聘教授/省级特聘专家，河北省“青年拔尖人才”，河北省优秀青年基金获得者，河北工业大学“元光学者”。主要研究氮化物半导体光电材料和器件，包含氮化物半导体材料外延生长、LED芯片工艺(正装芯片、倒装芯片和垂直芯片)、材料物理、器件物理和器件仿真。目前承担国际级、省部级课题、校级课题及省部级人才项目8项，作为骨干人员参与科技部重点研发计划子课题1项，任Optics Letters、Optics Material Express、Optics Express、IEEE/OSA Journal of Display Technology、Journal of Applied Physics、Applied Physics Letters、中国半导体学报等期刊的特邀审稿专家。