浙大團(tuán)隊(duì)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?，F(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(duì)）

近期，浙江大學(xué)狄大衛(wèi)團(tuán)隊(duì)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,?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)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(jì)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(duì)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(jì)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(duì)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(duì)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?！暗瞧骷l(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(jì)數(shù)器拆開，自主設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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,。“我也曾經(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),。“我很慶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(duì)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(duì)計(jì)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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