厦大蔡端俊JPCL丨在高效除氢技术和新冠病毒消杀研究取得重要进展

研究背景：

作为元素周期表中的第一个元素，氢原子天生具备体积小、结构简单又极为活泼的特点，这使其可以非常容易地跟半导体中的非饱和电子成键，影响半导体的结构和光学特性，并钝化半导体的导电性，最终劣化器件的光电性能、可靠性及寿命。传统热退火除氢基于各向同性的热能，除氢方向随机、效率低、不彻底，面临比较大的局限性。这限制了半导体器件性能的改善，如p-AlGaN的导电性及深紫外LED的效率。

成果掠影：

厦门大学蔡端俊教授团队与韩国全南大学李俊冀教授团队合作，在The Journal of Physical Chemistry Letters期刊发表了题为“Unidirectional Elimination of Hydrogen by a Giant Local Field Saves First- and Last-Mile Performances of Semiconductor Devices”的最新研究成果论文，并选为封面文章。该工作提出了一种氯离子局域强电场驱动的新型高效除氢技术。这项技术利用溶液中紧凑氯离子吸附层提供的局域强电场，打断半导体中的氢键，并在电场力驱动及氯离子的输运作用下，可定向地对半导体进行快速除氢，除氢幅度可达52%。通过应用这项技术，p-AlGaN的导电性以及深紫外LED的光电性能得到显著提升，其中器件光功率提高55%，寿命增长近一倍。基于高效深紫外LED，本工作又制作了3 W大功率的集成消杀灯，采用该消杀灯，可实现对细菌和COVID-19新冠病毒的“秒杀”。该技术对多种半导体皆有效，可推动半导体及光电子研究的进一步发展。

核心创新及启示：

该团队提出电化学方法，在溶液环境中，以半导体晶圆作为阳极，利用其表面吸附的高浓度氯离子层，在半导体中施加局域的强电场。使用这种方法，此项工作成功对多种半导体材料实现了高效的除氢，包括GaN、AlGaN、SiC、AllnP以及完整的深紫外LED晶圆，除氢幅度最高可达52%。除氢的具体机理为：在外加电压的作用下，半导体的能带向上弯曲，产生了空间电荷区，溶液一侧则形成了Cl^-离子紧凑吸附层。在氯离子局域强电场和外场的共同作用下，半导体中的氢键被打断，随后氢杂质被拖离至表面，最终在Cl^-离子的输运作用下，被驱离开半导体。整个动态除氢过程具有循环持续、高效快速和永久彻底的特点。

更重要的是，应用这种新型的定向电场除氢技术，可高效激活高Al组分p型AlGaN中Mg的受主活性，大幅度提高了p型导电性，其中电流提升了8.8倍，空穴浓度提升了一个数量级，电极接触电阻也相应降低了一个数量级。进一步将此项技术应用于273 nm的AlGaN基深紫外LED，器件的光电性能也得到了显著增强。其中LED的开启电压降低1 V，光功率最高提升55%，在100 mA的电流下达到了9.8 mW，插墙效率显著提升62%，达到了3.3%。并且，UVC LED的可靠性同样得到改善，其寿命延长了近一倍。

最后，基于高效的UVC LED，该工作还设计并制作了3 W大功率的杀菌消毒灯。针对大肠杆菌和COVID-19新冠病毒的实验证明，只要经过深紫外灯1秒钟的照射，细菌和病毒的灭活效率就超过了99.9%，成功实现了“秒杀”。20分钟辐照可实现病毒核酸的完全消除，避免PCR假阳性现象。在全球疫情肆虐的严峻形势下，我们相信本工作中的高效大功率UVC LED快速消杀技术可为全球抗疫和保障人类的健康做出重要贡献。

图文解读：

图1. (a) 新型电场除氢装置示意图；(b) 在不同电压下电场除氢后p-AlGaN样品的H杂质浓度SIMS深度测试；(c)-(e) 氯离子电场除氢机理分析，HCl溶液与半导体的界面示意图 (c)，能带结构图 (d)，循环除氢过程示意图 (e)。

图2 (a) UVC LED结构示意图；(b)-(c) UVC LED点亮的显微照片；(d) EL光谱；(e) I-V特性曲线；(f) 输出光功率；(g) WPE插墙效率；(h) 寿命测试结果；(i) 深紫外消杀灯实物照片；(j) 未经深紫外灯消杀，及 (k) 经过深紫外灯消杀后的大肠杆菌培育照片。

图3. 深紫外光杀菌消毒的原理示意图。

论文信息：

Shiqiang Lu^#(卢诗强), Zhibai Zhong^#(钟志白), Bin Guo^#(郭斌), Xiaohong Chen, Guozhen Liu, Zefeng Lin, Han Chen, Shengrong Huang, Xudong Liang, Yuanzhi Zheng, Xiaohui Huang, Mingxing Wang, Fujun Xu, Yanhua Zhang, Canming Zhang, Xudong Wang, Yinghui Zhou, Shuping Li, June Key Lee*(李俊冀), Duanjun Cai*(蔡端俊), and Junyong Kang, "Unidirectional Elimination of Hydrogen by a Giant Local Field Saves First- & Last-Mile Performances of Semiconductor Devices",The Journal of Physical Chemistry Letters, 13, 2084–2093, 2022, Back Cover featured article, DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c04111.

该论文工作由厦门大学团队和韩国全南大学团队合作完成，博士生卢诗强为第一作者、博士生钟志白和硕士生郭斌为共同第一作者，蔡端俊教授和李俊冀教授为该论文的通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省滚球体育 计划等项目的资助。

论文下载链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.1c04111