前沿进展 | 点亮发光二极管，电压到底能有多低？

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，浙江大学的狄大卫教授团队发现了一种基于新型量子阱的增强辐射复合效应，在此效应下，基于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料LED工作电压将缩窄至标称带隙的77%。在此项工作中，研究人员对17种不同类型的LED晶片进行高灵敏度的光子计数测量，用数据证明了在激发电压明显低于发射极带隙的情况下，电致发光效应在多种LED的应用环境下都是有可能出现的；同时，依据EL-电压曲线的相似形状，揭示出超低电压点亮LED的理论来源。研究成果以“Ultralow-voltage operation of light-emitting diodes”为题发表在Nature Communications上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

LED的出现，从一定程度上来说改写了人类照明的历史，它以极高的能量效率和极长的寿命，迅速取代了传统白炽灯和节能灯的优势市场地位。LED的核心是一块半导体晶片，该晶片由银胶固定，受电致发光效应(EL)的驱动。当LED连接电极后，器件的阳极和阴极分别会产生空穴与电子，空穴和电子会在发光活性层中耦合而形成电子-空穴对，电子-空穴对会在耦合后因自发辐射而产生荧光，荧光的波长与激发态和基态之间的带隙宽度有关，带隙越大，则LED所发光的波长越短，驱动LED所需的电压也就越大。根据能量守恒定律，EL效应产生光子的最小阈值电压在数值上等于发射材料带隙(E_g)除以基本电荷(q)。

图1 点亮后的LED灯带

（图源：Vinay Electrical Solutions）

以低于阈值的驱动电压来点亮LED，是一个似乎有点天方夜谭的想法，如果这个想法真的能够被实现，那么对于未来的节能照明来说，则是一个变革性的进步。实际上，降低LED的阈值电压也并不是无稽之谈，从原理上分析，LED发光阈值电压的降低机制有多种，包括热辅助空穴注入、界面偶极子、三重态-三重态湮灭上转换(TTA-UC)以及俄歇效应。

03 研究创新点

基于新兴的材料系统，该研究首先对钙钛矿LED的EL效应展开了研究，如图2(a)~(c)所示。具体地，研究人员制备了工作在近红外波段的发光碘基材料“FPI”、“NFPI”以及溴基材料 “PCPB”，并测试了其辐照强度与电压之间的数值关系；根据曲线图，可看出三种LED开始发光的电压分别是1.3 V、1.3 V以及1.9 V，发光二极管中光子的最高能量分别为1.55 eV、1.56 eV以及2.4 eV（光子最高能量用于为带隙的宽度提供最保守估计）。这两组数据说明FPI、NFPI以及PCPB三种材料，均可在低于带隙所限制的最小阈值电压下进行发光。进一步地，研究人员对几种OLED进行了测试，如图2(d)~(h)所示，而与之前类似，这几种材料也在低于最小阈值电压的情况下出现了发光表现，EL-电压曲线的走向趋势与之前保持一致。此外，为提升实验测试的可信程度，研究人员还选取了市场上常见的几种Ⅲ-Ⅴ族化合物LED晶片，并在相同的实验条件下进行测试。如图2(i)所示，得到的结论与之前极为相似：该种LED最低可以在1.45 V(0.74E_g) 的电压下观察到发光现象。图2 各类LED辐照强度与驱动电压的关系
更有意思的是，当驱动几种钙钛矿LED亮光电压的数值从带隙上方调整到带隙下方时，LED输出亮光的EL谱线，会如图3所示，保持原有形状，并不会发生明显的改变。图3 钙钛矿LED在高于和低于带隙所限制阈值电压下的EL光谱新奇的现象也给研究人员带来了新的疑惑：能够驱动LED亮光的最低电压到底为多少？为了解决这个问题，如图4所示，研究人员采用了一套高灵敏度的光子探测系统，该系统能够清晰地捕捉到微弱的光子，也在同时确定了EL曲线起始的确切时间，相较于传统的测量方案，该方案能够将测量装置的灵敏度提升7个量级。图4 高灵敏度光子探测装置基于此套探测装置，研究人员进一步确认了钙钛矿LED的输出强度与电压之间的关系曲线，如图5所示。最终在0.4E_g~0.6E_g对应的电压下，检测到了LED的辐照，这也是迄今为止LED所报道的最低驱动电压。而通过使用截止波长接近材料带隙的带通滤波器，也能确认光子不是由子带隙状态重组所致。图5 不同LED在近带隙或亚带隙电压下的EL-电压特性曲线
同样地，在更多种LED中，该团队同样观测到超低电压点亮LED的现象，这表明超低电压点亮LED是一种客观存在的普遍现象，而这些现象也无法用前人已发表的研究结论来解释。因此，该研究团队重新推导了二极管发光的理论模型，并利用仿真软件Setfos深入探究了低于带隙时点亮LED的深层次机制，仿真结果如图6所示。图6 对部分LED及OLED器件辐照特性的仿真模拟仿真结果说明，无论是LED还是OLED，都能够在驱动电压低于带隙的情况下产生微弱的辐照，并且具体的输出特性与实验观测到的结果保持了高度相似，并可以与模型对应。在模拟的过程中可以发现：输出光子通量的强度与注入发光层电荷的密度之间具有极高的正相关性，而当电压明显低于带隙所对应的阈值时，明显数量水平的电子和空穴将有助于辐射的重组。而这个结论也于传统二极管定律及该团队所提出的模型相一致，这也很好地解释了为什么在实际的实验中，基于Ir(ppy)₃的OLED会需要比钙钛矿LED更高的驱动电压：因为有机半导体的态密度相对较低，载流子浓度较其他半导体来说更小。在文章的最后，研究人员还通过仿真的方式，论证了超低电压驱动发光二极管的技术优势，仿真结果如图7所示。从中可以发现，如果以一个超低的电压去驱动LED，LED依旧可以产生清晰（信噪比20 dB）稳定的0/1信号。而通过使用小脉宽的脉冲信号发生器，也可以进一步降低系统的能耗。实际上，工作电压为1 V的LED可以直接在芯片电路中进行集成，以较低的电压为其供电，就能在不添加任何其他器件的基础上获得近乎一样的应用效果。这对于芯片制造商来说，是一则具有革命意义的设计启示：更合理的分配能量，能够极大程度上的提升芯片的性能指标，增强系统的运行效率。图7 钙钛矿LED在超低电压下产生的光脉冲

04 总结与展望

本文介绍了以超低（低于带隙所决定阈值电压的50%）电压点亮LED的实验现象；并通过对17种不同类型LED的测试分析，归纳出多种LED辐照强度与电压曲线之间的相似关系，在建立可靠理论模型的基础上进行了仿真验证，最终确定超低电压EL操作的源头：非热平衡带边载流子的辐射重组。该研究细致深刻地反映出低压LED实现的可能性与可靠性，为实际的研究设计相关工作提供了蓝本，开辟了节能领域的新篇章。

本工作由浙江大学、澳大利亚新南威尔士大学、剑桥大学等机构合作完成，来自浙江大学的狄大卫教授为论文的通信作者。

论文链接：

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

推荐阅读：

科学编辑 | 佚名编辑 | 金梦菲菲

END

由于微信公众号试行乱序推送，您可能没办法准时收到“爱光学”的文章。为了让您第一时间看到“爱光学”的新鲜推送， 请您：

1. 将“爱光学”点亮星标（具体操作见文末）
2. 多给我们点“在看”

欢迎爆料

新闻线索、各类投稿、观点探讨、故事趣事

留言/邮件，我来让你/事红

爆料请联系：[e-mail]

点在看联系更紧密