研究成果概述

近日，浙江大學光電科學與工程學院的狄大衛教授團隊，探索了鈣鈦礦、有機半導體、Ⅱ-Ⅵ族量子點以及III–V族無機半導體等多個材料體系共17種發光二極管（LED）的低電壓發光現象，發現多種LED產生光子的最低電壓可顯著低于半導體帶隙的50%，展示了超低電壓電致發光的普適性。作者的大量實驗結果與器件理論模型的一致性，揭示了超低電壓電致發光現象的統一物理機制：遵循費米-狄拉克統計分布的非平衡帶邊載流子，在小電壓擾動下的輻射復合。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。

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

背景介紹

“發光二極管的最低工作電壓極限是什么？”這是電致發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光半導體材料帶隙所對應的電壓（Eg/q）。近年來，有研究發現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)驅動下發出光子，并提出了基于俄歇（Auger）或三線態-三線態湮滅（TTA）的能量上轉換、電場輔助載流子注入、熱輔助上轉換等諸多機制，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構的低電壓發光現象，領域學者對亞帶隙電壓發光現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領域的幾乎所有材料體系，探索了基于17種半導體材料的LED的電致發光(EL)行為。關于EL強度-電壓關系的初步測試結果表明，所有被測的LED均表現出了亞帶隙電壓發光特性，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的電致發光強度-電壓關系曲線

接下來，為了回答“電致發光的最低電壓極限是什么”這一關鍵問題，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，該系統能將光子通量探測極限降至109 s-1 m-2，優于標準測試系統約7個數量級。基于高靈敏光子探測系統的測試結果更令人驚訝：LED發射光子的最低電壓（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，同時創造了多種發光器件的最低工作電壓紀錄。無機III–V族半導體LED、鈣鈦礦LED、有機LED(OLED)等不同種類的器件發出光子所需的最低電壓均可顯著小于帶隙電壓的50%，這是過去發表的亞帶隙電致發光理論難以解釋的。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動是LED器件的普遍特性。這些結果可能蘊含了適用于所有LED器件低電壓發光的統一物理機制。此外，作者研究發現，Vm與LED器件的串聯電阻、外量子效率（EQE）暗飽和電流等均有很強的相關性，更低的串聯電阻、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光強度-電壓關系

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”也給出了類似的結果。以鈣鈦礦LED和磷光OLED為例，它們都表現出了超低電壓發光特性。仿真結果表明，任意一非零驅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光層內復合，從而發出光子。

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光二極管中載流子的分布與能量狀態——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-狄拉克統計分布，器件內的擴散電流與漂移電流保持平衡，此時凈電流為零；當外加一個不為零的小偏壓時，復合區兩端的微小準費米能級劈裂足以打破這一平衡，由此產生的非平衡載流子向復合區擴散，由輻射復合產生光子。

圖4：低電壓驅動鈣鈦礦LED用于硅基光通訊

總結與展望

此研究探究了多個半導體材料體系共17種發光二極管的電致發光特性，發現多種器件發光所需的最低電壓可顯著低于帶隙的50%，展現了LED超低電壓發光的普適性。器件在低電壓區間的發光強度-電壓特性能被傳統二極管模型很好地擬合。多種LED的實驗與器件仿真結果的高度一致性，揭示了超低電壓電致發光的統一物理機制：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合。這種機制可以在不違反能量守恒定律的前提下，使LED發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光電學院博士生連亞霄、電氣學院蘭東辰研究員和光電學院博士生幸世宇，通訊作者為浙江大學光電學院狄大衛教授。合作者包括劍橋大學Richard H. Friend院士、浙江大學光電學院趙保丹研究員、鄒晨研究員等。該工作得到了科技部國家重點研發計劃、浙江省鯤鵬行動計劃、浙江大學-世界頂尖大學合作計劃、國家自然科學基金委員會、英國工程與物理科學研究委員會(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

團隊負責人：狄大衛，浙江大學光電學院長聘教授/博士生導師、浙江大學先進光子學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歲以下科技創新35人(2019)、世界頂尖科學家論壇青年科學家(2020)、國家青年人才計劃(2018)等。他先后在新南威爾士大學和劍橋大學獲得工程學學士、工程學博士以及物理學博士學位，師從Richard Friend院士、Martin Green院士等著名科學家。他的研究方向是半導體發光器件及器件物理，近年的主要學術貢獻是探索了有機與鈣鈦礦發光二極管的新型發光機制，創造了溶液法LED的效率紀錄。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。更多介紹請見網頁：https://person.zju.edu.cn/daweidi

審核編輯 ：李倩