浙大團(tuán)隊揭示LED超低電壓發(fā)光的統(tǒng)一物理機(jī)制，探索最低電壓極限，有望應(yīng)用于伺服電機(jī)
發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）的出現(xiàn)，加速了照明與信息技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展與革新。由于 LED 發(fā)光效率高、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢，其誕生后便迅速完成了對傳統(tǒng)白熾燈與節(jié)能燈的技術(shù)替代。
而新興 LED 技術(shù)（包括有機(jī) LED、量子點(diǎn) LED、鈣鈦礦 LED[1,2,3]）也因具備成為下一代光源的潛力，而備受矚目，其中有機(jī) LED（Organic Light-Emitting Diode，OLED）已成為智能手機(jī)、高清電視等設(shè)備中大規(guī)模應(yīng)用的顯示技術(shù)。
在 LED 研究領(lǐng)域中有兩個頻繁出現(xiàn)于高影響力期刊論文，但卻“懸而未決”的器件物理謎題：LED 的最低工作電壓極限是什么？這個閾值電壓的物理起源是什么？
那么，對于這兩個問題，領(lǐng)域的學(xué)者們是如何理解的呢？在以往的研究中，很多學(xué)者從能量守恒角度考慮，認(rèn)為這個極限電壓應(yīng)該是在帶隙電壓（Eg/q）附近。
之前也有學(xué)者觀察到一些低于帶隙的電壓，并將這種“反常現(xiàn)象”歸因于某些發(fā)光材料中的獨(dú)特物理機(jī)制，相關(guān)理論包括三線態(tài)激子湮滅上轉(zhuǎn)換、俄歇復(fù)合輔助上轉(zhuǎn)換、電場輔助電荷注入、熱輔助上轉(zhuǎn)換等。
圖丨科研人員對 LED 進(jìn)行測試，從左到右依次是：蘭東辰、狄大衛(wèi)、連亞霄、幸世宇（來源：狄大衛(wèi)團(tuán)隊）
近期，浙江大學(xué)狄大衛(wèi)團(tuán)隊與合作者得出一個與以往文獻(xiàn)（包括高影響力期刊論文）的理論顯著不同的結(jié)論。狄大衛(wèi)表示，“這項(xiàng)研究讓我們對困擾已久的問題有了更加統(tǒng)一的認(rèn)識，也可能引發(fā) LED 領(lǐng)域的一些新的思考和未來應(yīng)用。”
該團(tuán)隊針對發(fā)光領(lǐng)域中的器件物理難題，測量了各類 LED 的最低工作電壓極限，并通過二極管模型與軟件模擬等進(jìn)行分析，揭示了 LED 超低電壓發(fā)光的物理本源——遵循費(fèi)米-狄拉克分布的帶邊非平衡載流子在微小電壓的擾動下的輻射復(fù)合。此外，該研究還說明了超低電壓驅(qū)動的 LED 在通訊、光芯片、能源等方向的應(yīng)用潛力。
7 月 4 日，相關(guān)論文以（Ultralow-voltage operation of light-emitting diodes）為題發(fā)表在 Nature Communications 上[4]。
圖丨相關(guān)論文（來源：Nature Communications）
該論文的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，通訊作者是浙江大學(xué)光電學(xué)院狄大衛(wèi)教授。審稿專家對論文評價道：“這是令人驚異的結(jié)果......解決了領(lǐng)域的長期爭論......具有重要的學(xué)術(shù)意義?！?/p>
如將超低電壓 LED 集成到光計算芯片，有望提高系統(tǒng)運(yùn)行速度
隨著超低功耗、超高工作速度、高集成度的電子設(shè)備的發(fā)展，對其元件的要求也在不斷提高。例如，現(xiàn)在的閃存正在向超小體積、大容量讀寫的方向發(fā)展，在單位時間內(nèi)需要承載巨大的數(shù)據(jù)吞吐量。
系統(tǒng)集成度高，也意味著電磁信號互相之間干擾的概率增大，這會增加誤碼率。因此，只依賴電信號的系統(tǒng)終將遇到瓶頸。
該研究不僅從理論上揭示了一種具有普適性的物理機(jī)制，在應(yīng)用方面也很有意義。該論文展示了團(tuán)隊搭建的光通信原型系統(tǒng)，其中用到了亞帶隙電壓（1V）驅(qū)動的鈣鈦礦 LED（帶隙約 1.56eV）作為光源，以及帶隙為 1.1eV 的硅光探測器作為接收器。
幸世宇表示：“在這個 demo 中，亞帶隙電壓驅(qū)動的 LED 表現(xiàn)出了很快的響應(yīng)速度，證明了用作光通訊光源的有效性和可靠性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)單比特能量消耗僅 140 pJ?！?/p>
圖丨超低電壓下鈣鈦礦 LED 產(chǎn)生的光脈沖（來源：Nature Communications）
連亞霄表示，如果能結(jié)合電信號與光信號的特點(diǎn)，利用 LED 在超低電壓范圍的優(yōu)勢，通過光信號傳輸可以抗電磁干擾、傳輸速度快的特點(diǎn)，則可將超低電壓 LED集成到光計算芯片中，降低電路的復(fù)雜性和系統(tǒng)整體功耗，以提高系統(tǒng)運(yùn)行速度、降低信號誤碼率。
該團(tuán)隊認(rèn)為，若能進(jìn)一步提高器件在亞帶隙電壓工作時的效率，則有望實(shí)現(xiàn)更高的能量利用率，有助于降低光通訊系統(tǒng)的能耗。
同時，由于需要的驅(qū)動電壓較低，LED 將較容易與傳統(tǒng)硅基電路或芯片的結(jié)合。因此，光電信號轉(zhuǎn)換的硬件成本有望進(jìn)一步降低。
突破先前結(jié)論所預(yù)測的電壓極限，揭示超低電壓驅(qū)動 LED 發(fā)光的原理
這是科研人員第一次從實(shí)驗(yàn)和理論上，真正“無偏見”地探索了 LED 的最低電壓極限。在這項(xiàng)研究中出乎意料的是，在低電壓（而不是高電壓）范圍，原本被認(rèn)為有截然不同物理機(jī)制的多種 LED，竟展現(xiàn)出了非常相似的光電特性。
它們在 36-60% 帶隙的電壓驅(qū)動下就能被探測到發(fā)光，突破了之前理論所覆蓋的最低電壓極限，因此需要新的解釋。
據(jù)悉，該研究歷時約 3 年半的時間，研究主題“劍走偏鋒”，因此在研究過程中歷經(jīng)了不斷的探索與嘗試。2017 年，狄大衛(wèi)還在劍橋大學(xué)進(jìn)行博后研究階段時就已開始思考：LED 是否也存在一些基本極限，比如最高效率或者最低工作電壓的基本極限？
他 2018 年回國在浙江大學(xué)成立課題組后，就把這個問題拋給了最早進(jìn)組的博士生連亞霄。根據(jù)對一些經(jīng)典理論的理解和初步分析，狄大衛(wèi)當(dāng)時猜想，電致發(fā)光的“閾值電壓”應(yīng)該極低，甚至可能接近 0。
為此，他與當(dāng)時在墨爾本大學(xué)數(shù)學(xué)系開展博士后研究的蘭東辰進(jìn)行了多次遠(yuǎn)程討論，他們認(rèn)為可通過二極管模型來進(jìn)行分析。
圖丨不同類別 LED 在低電壓范圍的電致發(fā)光強(qiáng)度-電壓特性（來源：Nature Communications）
起初，該團(tuán)隊圍繞鈣鈦礦綠光器件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，但是經(jīng)過一段時間后發(fā)現(xiàn)效果并不理想，器件工作電壓仍舊很高。
該研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在 2019 年年底，由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的積累，連亞霄等人逐漸開始在綠光 LED 中展示亞帶隙電壓發(fā)光。“但是器件發(fā)光效率仍然非常低，主要是非輻射復(fù)合所導(dǎo)致的損耗太大?！钡掖笮l(wèi)說。
隨著實(shí)驗(yàn)室中綠光 LED 的性能逐漸提高，他們發(fā)現(xiàn)，利用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備測得的亮度最低值大約在 0.01cd m-2，輻亮度最低值大約在 0.005Wsr-1 m-2，之上都是比較明顯的數(shù)據(jù)點(diǎn)，而之下很多都是波動的噪聲信號。
圖丨由軟件仿真得到的鈣鈦礦與有機(jī) LED 中載流子濃度隨電壓的變化（來源：Nature Communications）
緊接著，狄大衛(wèi)繼續(xù)提出新的問題——在這個數(shù)值之下的光子都是階躍的嗎？當(dāng)器件電壓從小于提高到等于這個數(shù)值時，輻射的光子是突然出現(xiàn)的嗎？如果用世界上最靈敏的光電探測器來測試，結(jié)果會怎樣？
彼時還在劍橋大學(xué)進(jìn)行博士后研究的趙保丹在訪問浙江大學(xué)時，將 LED 的基本制備與測量方法傳授給連亞霄等人，這也無形之中加速了研究進(jìn)展。
連亞霄說道：“我將時間相關(guān)單光子計數(shù)器拆開，自主設(shè)計搭建了一套超靈敏的發(fā)光探測設(shè)備。把這套改裝后的高靈敏測試系統(tǒng)連接到發(fā)光二極管測試系統(tǒng)中，這套系統(tǒng)相比標(biāo)準(zhǔn)測試儀器靈敏度提高了將近 7 個數(shù)量級?！?/p>
幸世宇在加入狄大衛(wèi)課題組后，與連亞霄共同開展器件制備，并基于蘭東辰提供的二極管模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合與分析，他表示，“我們進(jìn)一步用無機(jī)的紅綠藍(lán)體系來驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)光子隨電壓均是連續(xù)變化而不是階躍變化，我們確認(rèn)了之前的問題在于測試系統(tǒng)導(dǎo)致的更低光子通量下的探測精度不足?！?/p>
值得關(guān)注的是，有些材料體系的輻射光子工作電壓可以低至 0.36Eg/q，每個光子獲得的“能量增益”高達(dá) 1.4eV，這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象通過俄歇過程（極限：最低約 0.5Eg/q）、三線態(tài)激子湮滅上轉(zhuǎn)換（極限：最低約 0.5Eg/q）、電場輔助電荷注入（極限：最低約 Eg/q）、熱輔助上轉(zhuǎn)換（提供最大能量僅約 0.1eV）等機(jī)制難以解釋。
他們研究了包括鈣鈦礦、有機(jī)半導(dǎo)體、Ⅱ-Ⅵ 族量子點(diǎn)以及 III–V 族無機(jī)半導(dǎo)體等多個材料體系的 17 種 LED（幾乎包含了所有類型的 LED），在低電壓范圍均表現(xiàn)出非常相似的輻射光子隨電壓連續(xù)變化的函數(shù)特性?！斑@說明，其中可能蘊(yùn)含著統(tǒng)一的物理機(jī)制?！钡掖笮l(wèi)表示。
圖丨由簡單 LED 模型生成的電致發(fā)光強(qiáng)度-電壓曲線（來源：Nature Communications）
該團(tuán)隊采用單二極管模型來擬合低電壓范圍的光子數(shù)-電壓曲線，其擬合的準(zhǔn)確度 R2 均達(dá)到 0.95 以上，證明了在此區(qū)間的光子數(shù)-電壓關(guān)系變化規(guī)律符合經(jīng)典半導(dǎo)體二極管模型。
他們還發(fā)現(xiàn)，帶隙較窄的 LED 一般具有更大的暗飽和電流，在同一電壓下對應(yīng)更高的發(fā)光強(qiáng)度。不同 LED 的實(shí)驗(yàn)測得的最低工作電壓，隨著暗飽和電流的升高而下降。
圖丨鈣鈦礦 LED 在高于和低于帶隙電壓下的電致發(fā)光光譜（來源：Nature Communications）
改變 LED 帶隙、發(fā)光效率和串聯(lián)電阻，都能夠改變相同電壓下的發(fā)光強(qiáng)度。其中，帶隙較寬的材料需要更高的電壓，才能達(dá)到和窄帶隙材料相同的光子通量，而提高發(fā)光效率也能夠降低 LED 的表象閾值電壓。
串聯(lián)電阻的影響在較高電壓時變得顯著，這同樣影響了 LED 的表象閾值電壓。根據(jù)商用 LED 仿真軟件 Setfos 的計算結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)了 LED 內(nèi)載流子濃度分布隨電壓的變化關(guān)系。結(jié)合變溫實(shí)驗(yàn)與軟件仿真結(jié)果可以看出，發(fā)光二極管內(nèi)的載流子濃度與產(chǎn)生的光子數(shù)隨溫度的變化函數(shù)均符合費(fèi)米-狄拉克分布。
期待超低電壓驅(qū)動的 LED 早日在通訊等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用
狄大衛(wèi)表示，這是一項(xiàng)“興趣驅(qū)動”的研究?！拔乙苍?jīng)不是很確定，離開了劍橋卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，回國后在一個從零開始的新研究組能否將這樣的研究做好?！彼f。
幸運(yùn)的是，在課題組學(xué)生不斷進(jìn)步的探索精神以及同事們的支持下，這項(xiàng)“特立獨(dú)行”的研究得以實(shí)現(xiàn)?！拔液軕c幸課題組成員能夠保持本心，開展一項(xiàng)能給領(lǐng)域帶來更多思考的、承載著科研工作者內(nèi)心志趣的研究?！钡掖笮l(wèi)說。
總的來說，該團(tuán)隊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、二極管模型和軟件模擬結(jié)果高度符合。這些證據(jù)共同揭示了超低電壓驅(qū)動 LED 發(fā)光的原理: 遵循費(fèi)米-狄拉克分布的非平衡帶邊載流子，在小電壓擾動下的輻射復(fù)合。這個結(jié)論并不違反能量守恒定律，也無需引入額外的能量增益機(jī)制。
下一步，狄大衛(wèi)團(tuán)隊計劃研究超低電壓驅(qū)動的 LED 與硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成，期望能實(shí)現(xiàn)超低電壓光信號耦合，讓超低電壓驅(qū)動的 LED 在光通信領(lǐng)域真正“派上用場”。
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