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(tuán)隊(duì)，探索了鈣鈦礦、有機(jī)半導(dǎo)體、Ⅱ-Ⅵ族量子點(diǎn)以及III–V族無(wú)機(jī)半導(dǎo)體等多個(gè)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(shí)驗(yàn)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(jī)制：遵循費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)分布的非平衡帶邊載流子，在小電壓擾動(dòng)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(jì)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(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)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(rèn)為是發(fā)光半導(dǎo)體材料帶隙所對(duì)應(yīng)的電壓（Eg/q）。近年來(lái)，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(dòng)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(chǎng)輔助載流子注入、熱輔助上轉(zhuǎn)換等諸多機(jī)制，以解釋額外的能量是如何獲得的。然而，這些機(jī)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(duì)亞帶隙電壓發(fā)光現(xiàn)象的物理本源仍存在重要爭(zhēng)議。

文章亮點(diǎn)

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(qiáng)度-電壓關(guān)系的初步測(cè)試結(jié)果表明，所有被測(cè)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(cè)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(qiáng)度-電壓關(guān)系曲線

接下來(lái)，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(wèn)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(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能將光子通量探測(cè)極限降至109 s-1 m-2，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)約7個(gè)數(shù)量級(jí)。基于高靈敏光子探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果更令人驚訝：LED發(fā)射光子的最低電壓（Vm）可以達(dá)到帶隙電壓的36%-60%，等效于每個(gè)光子獲得了0.6-1.4 eV的額外能量，同時(shí)創(chuàng)造了多種發(fā)光器件的最低工作電壓紀(jì)錄。無(wú)機(jī)III–V族半導(dǎo)體LED、鈣鈦礦LED、有機(jī)LED(OLED)等不同種類(lèi)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(guò)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(qiáng)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(dòng)是LED器件的普遍特性。這些結(jié)果可能蘊(yùn)含了適用于所有LED器件低電壓發(fā)光的統(tǒng)一物理機(jī)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(qiáng)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(lái)更小的Vm。作者說(shuō)明，這里的Vm只是被儀器檢測(cè)到的“表觀閾值電壓”，電致發(fā)光的真實(shí)閾值電壓理論上可能趨近于零。

圖2：高靈敏探測(cè)器下獲得的電致發(fā)光強(qiáng)度-電壓關(guān)系

表1：由高靈敏光子探測(cè)試驗(yàn)測(cè)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(lèi)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(dòng)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(guò)測(cè)量變溫條件下的器件EL特性并輔以仿真計(jì)算，作者進(jìn)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(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)分布，器件內(nèi)的擴(kuò)散電流與漂移電流保持平衡，此時(shí)凈電流為零；當(dāng)外加一個(gè)不為零的小偏壓時(shí)，復(fù)合區(qū)兩端的微小準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)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(kuò)散，由輻射復(fù)合產(chǎn)生光子。

圖4：低電壓驅(qū)動(dòng)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(gè)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(qiáng)度-電壓特性能被傳統(tǒng)二極管模型很好地?cái)M合。多種LED的實(shí)驗(yàn)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(jī)制：遵循費(fèi)米-狄拉克分布的非平衡帶邊載流子，在小電壓擾動(dòng)下的輻射復(fù)合。這種機(jī)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(dòng)的基于鈣鈦礦LED-硅基探測(cè)器的光通訊原型器件，提出超低電壓LED在通訊、計(jì)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、浙江省鯤鵬行動(dòng)計(jì)劃、浙江大學(xué)-世界頂尖大學(xué)合作計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、英國(guó)工程與物理科學(xué)研究委員會(huì)(EPSRC)等項(xiàng)目的支持。

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

課題組簡(jiǎn)介

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人：狄大衛(wèi)，浙江大學(xué)光電學(xué)院長(zhǎng)聘教授/博士生導(dǎo)師、浙江大學(xué)先進(jìn)光子學(xué)國(guó)際研究中心副主任，入選浙江省“鯤鵬行動(dòng)”計(jì)劃首批專(zhuān)家(2020)、《麻省理工科技評(píng)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(guó)家青年人才計(jì)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(xiàn)是探索了有機(jī)與鈣鈦礦發(fā)光二極管的新型發(fā)光機(jī)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(jìn)展被人民日?qǐng)?bào)、中央電視臺(tái)、MIT科技評(píng)論、Nature系列等幾十家媒體報(bào)道和評(píng)論。更多介紹請(qǐng)見(jiàn)網(wǎng)頁(yè)：https://person.zju.edu.cn/daweidi

審核編輯 ：李倩