【国内论文】JAC丨河南科技大学：基于磁控溅射p-CuₓO/i-Ga₂O₃/p-GaN异质结的稳定黄绿与紫光双向发光二极管

        由河南科技大学的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为Stable yellow-green and violet bidirectional luminescent diodes based on p-CuₓO/i-Ga₂O₃/p-GaN heterojunction by magnetron sputtering（基于磁控溅射p-CuₓO/i-Ga₂O₃/p-GaN异质结的稳定黄绿与紫光双向发光二极管）的文章。

        宽禁带半导体材料（如 Ga₂O₃、GaN）因优异光电性能，在紫外、可见光LED领域潜力巨大，双向发光器件、智能传感、双向显示等新兴应用对其需求迫切。但传统双向发光 LED 存在异质结界面兼容性差、热稳定性不足、发射波长调控难、漏电流大等问题，制约产业化。同时，开发与宽禁带半导体兼容、环保无毒、资源丰富的 p 型材料，成为优化器件性能的核心突破口。CuₓO 作为极具前景的 p 型半导体，具备高光吸收系数、无毒、地壳丰度高、制备成本低等优势，无需复杂掺杂即可实现稳定 p 型导电，还能与 n 型 Ga₂O₃、p 型 GaN 形成结构兼容异质结，为传统器件材料兼容性难题提供可行方案。

        为优化双向发光二极管性能，本研究探究不同氧气流量对 CuₓO 薄膜晶相结构的影响。采用射频磁控溅射法制备高质量 CuₓO 薄膜，实现从 Cu₂O（111）到 CuO（002）的可控相变。基于此，构建 p-CuₓO/i-Ga₂O₃/p-GaN 结构双向发光 LED。通过 I V 特性测试、电致发光（EL）光谱及能带结构分析，系统表征器件性能与发光机制。结果表明，优化氧气流量制备的器件具有优异整流特性与热稳定性，室温漏电流低至 2.99×10⁻¹⁰ A，90℃ 时为 2.62×10⁻⁹ A；器件实现双向发光，正向电流驱动下发射 432 nm 紫光与 532 nm 绿光，反向电流驱动下发射 384 nm 紫光与 416 nm 蓝紫光。本研究阐明相变调控对器件性能的影响及双向发光机制，为高性能双向 LED 的研发提供关键支撑。

        ·采用射频磁控溅射法，通过调控氧气流量，实现 CuₓO 薄膜从 Cu₂O 到 CuO 的可控相变，获得高质量薄膜。

        ·首次构建 p‑CuₓO/i‑Ga₂O₃/p‑GaN 结构双向发光 LED，解决传统双向  LED界面兼容性差、热稳定性差等痛点。

        ·器件具备超低漏电流与优异热稳定性，室温漏电流低至 2.99×10⁻¹⁰ A，90℃ 高温下仍保持低漏电流，适配高温工作场景。

        ·实现双向多波段发光：正向发射紫光+绿光，反向发射紫光+蓝紫光，发光色纯度高、强度稳定。

        ·阐明双向发光核心机制：正向为福勒‑诺德海姆隧穿注入电子复合发光，反向为普尔‑弗伦克尔场助热发射注入电子复合发光。

        综上，采用射频磁控溅射法成功制备高质量 CuₓO 薄膜，并基于此研发出p-CuₓO/i-Ga₂O₃/p-GaN 双向电致发光LED。I-V测试表明，最优器件PV C具备优异整流特性，室温漏电流仅 2.99×10⁻¹⁰ A，且热稳定性极佳，90℃时漏电流仅 2.62×10⁻⁹ A。该器件可实现独特的双向电致发光：正向偏置下发射强紫光（432 nm）与绿光（532 nm），反向偏置下发射紫光（384 nm）与蓝紫光（416 nm）。通过系统能带结构分析与 EL 光谱表征，全面阐明了器件本征双向电致发光机制。未来研究将聚焦于进一步厘清详细发光机制。本研究成功开发出可实现双向电致发光的蓝紫光 LED，为高性能、稳定双向发光二极管的研发及其潜在应用提供了重要实践参考。

        本研究得到国家自然科学基金（批准号：61674052、52002120）、河南省重点科技项目（262102230094）、河南科技大学大学生科研训练计划（批准号：2025242、2025250）、国家级大学生创新创业训练计划（202310464053、202510464020）的资助。

图 1 (a) X 射线衍射图谱，(b) 衍射峰强度，(c) 不同样品（A、B、C、D）衍射峰的织构系数。

图 2 (a-d) CuₓO 样品的高分辨率 Cu 2p₃/₂ X 射线光电子能谱，(e) CuₓO 样品的 Cu⁺/Cu²⁺价态分布，(f) CuₓO 样品中 Cu⁺/Cu²⁺比值的演变。

图 3 (a-d) CuₓO 薄膜样品 A-D 的扫描电子显微镜照片（a：1.0 标准立方厘米 / 分钟；b：1.2 标准立方厘米 / 分钟；c：1.8 标准立方厘米 / 分钟；d：2.6 标准立方厘米 / 分钟）。

图 4 (a-d) 四个样品的晶粒尺寸分布直方图（左轴）与累积频率分布（右轴），(e) 不同样品的晶粒尺寸（累积频率分别为 10%、50%、90% 时），(f) 不同样品的最大、最小及平均晶粒尺寸。

图 5 (a) 透射光谱，(b) (αhν)²~hν 曲线，插图为样品 A-D 的禁带宽度变化，(c) ln (α)~hν 曲线，(d) 四个样品的陡度因子（σ）与电子 - 声子相互作用（Eₑ₋ₚ）变化。

图 6 (a)(b) Au/p-CuₓO/i-Ga₂O₃/p-GaN 发光二极管的制备流程与结构示意图，(c) 室温下 PV-(A-D) 的电流 - 电压曲线，插图为对应的半对数电流 - 电压曲线，(d) dV/dln (I)~I 曲线，插图为 PV-(A-D) 的串联电阻（Rₛ），(e) ln (I)~ln (V) 曲线，(f) 室温至 120℃范围内二极管的电流 - 电压曲线，插图为 PV-C 的 ln (I₀)~1/kT 曲线，(g) 不同温度下 PV-C 的半对数电流 - 电压曲线，(h) ±2.5V 电压下 PV-C 的正向与反向电流大小。

图 7 (a)(b) 正向与反向注入电流下 p-CuₓO/i-Ga₂O₃/p-GaN 双异质结器件的电致发光光谱，(c)(d) 正向与反向注入电流下 p-CuₓO/i-Ga₂O₃/p-GaN 双异质结器件的积分强度与半高宽。

图 8 (a) 室温下不同正向注入电流（0.5–5 毫安）时 PV-C 的电致发光光谱，(b) 不同注入电流下 PV-C 的紫外发射及紫外 / 深能级发射比值，插图为不同正向电流下的电致发光现象，(c) 室温下不同驱动电流时色坐标的变化，插图为对应的色度图，(d) PV-C 电致发光光谱随温度（30–120℃）变化的三维图，(e) 不同温度下 PV-C 的紫外发射及紫外 / 深能级发射比值，(f) 不同温度下正向驱动电流时 PV-C 色坐标的变化，插图为对应的色度图，(g) PV-C 电致发光光谱（1 毫安、室温）的高斯多峰拟合，(h) 平衡状态下 PV-C 的能带图，(i) 正向驱动电流下 PV-C 的发光机制示意图。

图 9 (a) 室温下不同反向注入电流（0.5–5 毫安）时 PV-C 的电致发光光谱，(b) 不同注入电流下 PV-C 的紫外发射及紫外 / 深能级发射比值，插图为不同反向电流下的电致发光现象，(c) 室温下不同驱动电流时色坐标的变化，插图为对应的色度图，(d-e) PV-C 电致发光光谱随温度（30–120℃）变化的三维与二维图，(f) 不同温度下 PV-C 的紫外发射及紫外 / 深能级发射比值，(g) 不同温度下反向驱动电流时 PV-C 色坐标的变化，插图为对应的色度图，(h) PV-C 电致发光光谱（1 毫安反向注入、室温）的高斯多峰拟合，(i) 反向驱动电流下 PV-C 的发光机制示意图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.188485