研究成果概述

近日，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院的狄大衛(wèi)教授團隊，探索了鈣鈦礦、有機半導(dǎo)體、Ⅱ-Ⅵ族量子點以及III–V族無機半導(dǎo)體等多個材料體系共17種發(fā)光二極管（LED）的低電壓發(fā)光現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)多種LED產(chǎn)生光子的最低電壓可顯著低于半導(dǎo)體帶隙的50%，展示了超低電壓電致發(fā)光的普適性。作者的大量實驗結(jié)果與器件理論模型的一致性，揭示了超低電壓電致發(fā)光現(xiàn)象的統(tǒng)一物理機制：遵循費米-狄拉克統(tǒng)計分布的非平衡帶邊載流子，在小電壓擾動下的輻射復(fù)合。此外，作者展示了低電壓LED用于硅基光通訊的原型器件，提出超低電壓LED在通訊、計算與能源等方向存在重要潛力。

相關(guān)成果以“Ultralow-voltage operation of light-emitting diodes” 為題于7月4日發(fā)表在《Nature Communications》期刊。

背景介紹

“發(fā)光二極管的最低工作電壓極限是什么？”這是電致發(fā)光器件物理方向長期以來的一個重要難題。從能量守恒定律角度考慮，LED的最低工作電壓被普遍認為是發(fā)光半導(dǎo)體材料帶隙所對應(yīng)的電壓（Eg/q）。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)基于某些特殊材料的LED能夠在略低于帶隙的電壓(大多在80-100%Eg/q)驅(qū)動下發(fā)出光子，并提出了基于俄歇（Auger）或三線態(tài)-三線態(tài)湮滅（TTA）的能量上轉(zhuǎn)換、電場輔助載流子注入、熱輔助上轉(zhuǎn)換等諸多機制，以解釋額外的能量是如何獲得的。然而，這些機制只能解釋某種特定的材料或者器件結(jié)構(gòu)的低電壓發(fā)光現(xiàn)象，領(lǐng)域?qū)W者對亞帶隙電壓發(fā)光現(xiàn)象的物理本源仍存在重要爭議。

文章亮點

為解決上述難題，作者的研究覆蓋了LED領(lǐng)域的幾乎所有材料體系，探索了基于17種半導(dǎo)體材料的LED的電致發(fā)光(EL)行為。關(guān)于EL強度-電壓關(guān)系的初步測試結(jié)果表明，所有被測的LED均表現(xiàn)出了亞帶隙電壓發(fā)光特性，且EL光譜形狀在帶隙以上與顯著低于帶隙的電壓下均保持一致。這些觀測結(jié)果表明LED器件的亞帶隙電壓工作具有普適性，并非局限于某些特殊的材料體系。

圖1：多種LED的電致發(fā)光強度-電壓關(guān)系曲線

接下來，為了回答“電致發(fā)光的最低電壓極限是什么”這一關(guān)鍵問題，作者搭建了一套基于雪崩光電二極管（APD）和放大電路的高靈敏光子探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能將光子通量探測極限降至109 s-1 m-2，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)約7個數(shù)量級?；诟哽`敏光子探測系統(tǒng)的測試結(jié)果更令人驚訝：LED發(fā)射光子的最低電壓（Vm）可以達到帶隙電壓的36%-60%，等效于每個光子獲得了0.6-1.4 eV的額外能量，同時創(chuàng)造了多種發(fā)光器件的最低工作電壓紀(jì)錄。無機III–V族半導(dǎo)體LED、鈣鈦礦LED、有機LED(OLED)等不同種類的器件發(fā)出光子所需的最低電壓均可顯著小于帶隙電壓的50%，這是過去發(fā)表的亞帶隙電致發(fā)光理論難以解釋的。有趣的是，全部17種LED器件在亞帶隙電壓下的EL強度-電壓關(guān)系都可以利用二極管模型很好的擬合。這再次證明亞帶隙電壓驅(qū)動是LED器件的普遍特性。這些結(jié)果可能蘊含了適用于所有LED器件低電壓發(fā)光的統(tǒng)一物理機制。此外，作者研究發(fā)現(xiàn)，Vm與LED器件的串聯(lián)電阻、外量子效率（EQE）暗飽和電流等均有很強的相關(guān)性，更低的串聯(lián)電阻、更高的EQE和更大的暗飽和電流通常能帶來更小的Vm。作者說明，這里的Vm只是被儀器檢測到的“表觀閾值電壓”，電致發(fā)光的真實閾值電壓理論上可能趨近于零。

圖2：高靈敏探測器下獲得的電致發(fā)光強度-電壓關(guān)系

表1：由高靈敏光子探測試驗測得的17種LED的最低工作電壓

商用LED仿真軟件“Setfos”也給出了類似的結(jié)果。以鈣鈦礦LED和磷光OLED為例，它們都表現(xiàn)出了超低電壓發(fā)光特性。仿真結(jié)果表明，任意一非零驅(qū)動電壓就能夠提供有效的非平衡載流子注入，這些非平衡載流子在器件的發(fā)光層內(nèi)復(fù)合，從而發(fā)出光子。

圖3：鈣鈦礦LED與磷光OLED器件仿真

通過測量變溫條件下的器件EL特性并輔以仿真計算，作者進一步明確了發(fā)光二極管中載流子的分布與能量狀態(tài)——器件在零偏壓條件下已存在一定濃度的帶邊載流子，這些載流子符合費米-狄拉克統(tǒng)計分布，器件內(nèi)的擴散電流與漂移電流保持平衡，此時凈電流為零；當(dāng)外加一個不為零的小偏壓時，復(fù)合區(qū)兩端的微小準(zhǔn)費米能級劈裂足以打破這一平衡，由此產(chǎn)生的非平衡載流子向復(fù)合區(qū)擴散，由輻射復(fù)合產(chǎn)生光子。

圖4：低電壓驅(qū)動鈣鈦礦LED用于硅基光通訊

總結(jié)與展望

此研究探究了多個半導(dǎo)體材料體系共17種發(fā)光二極管的電致發(fā)光特性，發(fā)現(xiàn)多種器件發(fā)光所需的最低電壓可顯著低于帶隙的50%，展現(xiàn)了LED超低電壓發(fā)光的普適性。器件在低電壓區(qū)間的發(fā)光強度-電壓特性能被傳統(tǒng)二極管模型很好地擬合。多種LED的實驗與器件仿真結(jié)果的高度一致性，揭示了超低電壓電致發(fā)光的統(tǒng)一物理機制：遵循費米-狄拉克分布的非平衡帶邊載流子，在小電壓擾動下的輻射復(fù)合。這種機制可以在不違反能量守恒定律的前提下，使LED發(fā)光的最低電壓極限趨近于零。此外，作者展示了一種超低電壓驅(qū)動的基于鈣鈦礦LED-硅基探測器的光通訊原型器件，提出超低電壓LED在通訊、計算與能源等方向存在重要潛力。

論文及作者信息等

論文共同第一作者為浙江大學(xué)光電學(xué)院博士生連亞霄、電氣學(xué)院蘭東辰研究員和光電學(xué)院博士生幸世宇，通訊作者為浙江大學(xué)光電學(xué)院狄大衛(wèi)教授。合作者包括劍橋大學(xué)Richard H. Friend院士、浙江大學(xué)光電學(xué)院趙保丹研究員、鄒晨研究員等。該工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、浙江省鯤鵬行動計劃、浙江大學(xué)-世界頂尖大學(xué)合作計劃、國家自然科學(xué)基金委員會、英國工程與物理科學(xué)研究委員會(EPSRC)等項目的支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31478-y

課題組簡介

團隊負責(zé)人：狄大衛(wèi)，浙江大學(xué)光電學(xué)院長聘教授/博士生導(dǎo)師、浙江大學(xué)先進光子學(xué)國際研究中心副主任，入選浙江省“鯤鵬行動”計劃首批專家(2020)、《麻省理工科技評論》全球35歲以下科技創(chuàng)新35人(2019)、世界頂尖科學(xué)家論壇青年科學(xué)家(2020)、國家青年人才計劃(2018)等。他先后在新南威爾士大學(xué)和劍橋大學(xué)獲得工程學(xué)學(xué)士、工程學(xué)博士以及物理學(xué)博士學(xué)位，師從Richard Friend院士、Martin Green院士等著名科學(xué)家。他的研究方向是半導(dǎo)體發(fā)光器件及器件物理，近年的主要學(xué)術(shù)貢獻是探索了有機與鈣鈦礦發(fā)光二極管的新型發(fā)光機制，創(chuàng)造了溶液法LED的效率紀(jì)錄。他作為通訊作者或第一作者，在Science、Nature Photonics (封面論文)、Nature Electronics (封面論文)、Nature Communications、Joule等高水平期刊發(fā)表多篇論文，研究進展被人民日報、中央電視臺、MIT科技評論、Nature系列等幾十家媒體報道和評論。更多介紹請見網(wǎng)頁：https://person.zju.edu.cn/daweidi

審核編輯 ：李倩