发光二极管（light-emitting diode，LED）的出现，加速了照明与信息技术领域的发展与革新。由于 LED 发光效率高、稳定性好的优势，其诞生后便迅速完成了对传统白炽灯与节能灯的技术替代。
而新兴 LED 技术（包括有机 LED、量子点 LED、钙钛矿 LED[1,2,3]）也因具备成为下一代光源的潜力，而备受瞩目，其中有机 LED（Organic Light-Emitting Diode，OLED）已成为智能手机、高清电视等设备中大规模应用的显示技术。
在 LED 研究领域中有两个频繁出现于高影响力期刊论文，但却“悬而未决”的器件物理谜题：LED 的最低工作电压极限是什么？这个阈值电压的物理起源是什么？
那么，对于这两个问题，领域的学者们是如何理解的呢？在以往的研究中，很多学者从能量守恒角度考虑，认为这个极限电压应该是在带隙电压（Eg/q）附近。
之前也有学者观察到一些低于带隙的电压，并将这种“反常现象”归因于某些发光材料中的独特物理机制，相关理论包括三线态激子湮灭上转换、俄歇复合辅助上转换、电场辅助电荷注入、热辅助上转换等。
图丨科研人员对 LED 进行测试，从左到右依次是：兰东辰、狄大卫、连亚霄、幸世宇（来源：狄大卫团队）
近期，浙江大学狄大卫团队与合作者得出一个与以往文献（包括高影响力期刊论文）的理论显著不同的结论。狄大卫表示，“这项研究让我们对困扰已久的问题有了更加统一的认识，也可能引发 LED 领域的一些新的思考和未来应用。”
该团队针对发光领域中的器件物理难题，测量了各类 LED 的最低工作电压极限，并通过二极管模型与软件模拟等进行分析，揭示了 LED 超低电压发光的物理本源——遵循费米-狄拉克分布的带边非平衡载流子在微小电压的扰动下的辐射复合。此外，该研究还说明了超低电压驱动的 LED 在通讯、光芯片、能源等方向的应用潜力。
7 月 4 日，相关论文以（Ultralow-voltage operation of light-emitting diodes）为题发表在 Nature Communications 上[4]。
图丨相关论文（来源：Nature Communications）
该论文的共同第一作者为浙江大学光电学院博士生连亚霄、电气学院兰东辰研究员和光电学院博士生幸世宇，通讯作者是浙江大学光电学院狄大卫教授。审稿专家对论文评价道：“这是令人惊异的结果......解决了领域的长期争论......具有重要的学术意义。”
如将超低电压 LED 集成到光计算芯片，有望提高系统运行速度
随着超低功耗、超高工作速度、高集成度的电子设备的发展，对其元件的要求也在不断提高。例如，现在的闪存正在向超小体积、大容量读写的方向发展，在单位时间内需要承载巨大的数据吞吐量。
系统集成度高，也意味着电磁信号互相之间干扰的概率增大，这会增加误码率。因此，只依赖电信号的系统终将遇到瓶颈。
该研究不仅从理论上揭示了一种具有普适性的物理机制，在应用方面也很有意义。该论文展示了团队搭建的光通信原型系统，其中用到了亚带隙电压（1V）驱动的钙钛矿 LED（带隙约 1.56eV）作为光源，以及带隙为 1.1eV 的硅光探测器作为接收器。
幸世宇表示：“在这个 demo 中，亚带隙电压驱动的 LED 表现出了很快的响应速度，证明了用作光通讯光源的有效性和可靠性，并且能够实现单比特能量消耗仅 140 pJ。”
图丨超低电压下钙钛矿 LED 产生的光脉冲（来源：Nature Communications）
连亚霄表示，如果能结合电信号与光信号的特点，利用 LED 在超低电压范围的优势，通过光信号传输可以抗电磁干扰、传输速度快的特点，则可将超低电压 LED集成到光计算芯片中，降低电路的复杂性和系统整体功耗，以提高系统运行速度、降低信号误码率。
该团队认为，若能进一步提高器件在亚带隙电压工作时的效率，则有望实现更高的能量利用率，有助于降低光通讯系统的能耗。
同时，由于需要的驱动电压较低，LED 将较容易与传统硅基电路或芯片的结合。因此，光电信号转换的硬件成本有望进一步降低。
突破先前结论所预测的电压极限，揭示超低电压驱动 LED 发光的原理
这是科研人员第一次从实验和理论上，真正“无偏见”地探索了 LED 的最低电压极限。在这项研究中出乎意料的是，在低电压（而不是高电压）范围，原本被认为有截然不同物理机制的多种 LED，竟展现出了非常相似的光电特性。
它们在 36-60% 带隙的电压驱动下就能被探测到发光，突破了之前理论所覆盖的最低电压极限，因此需要新的解释。
据悉，该研究历时约 3 年半的时间，研究主题“剑走偏锋”，因此在研究过程中历经了不断的探索与尝试。2017 年，狄大卫还在剑桥大学进行博后研究阶段时就已开始思考：LED 是否也存在一些基本极限，比如最高效率或者最低工作电压的基本极限？
他 2018 年回国在浙江大学成立课题组后，就把这个问题抛给了最早进组的博士生连亚霄。根据对一些经典理论的理解和初步分析，狄大卫当时猜想，电致发光的“阈值电压”应该极低，甚至可能接近 0。
为此，他与当时在墨尔本大学数学系开展博士后研究的兰东辰进行了多次远程讨论，他们认为可通过二极管模型来进行分析。
图丨不同类别 LED 在低电压范围的电致发光强度-电压特性（来源：Nature Communications）
起初，该团队围绕钙钛矿绿光器件进行实验研究，但是经过一段时间后发现效果并不理想，器件工作电压仍旧很高。
该研究的转折点在 2019 年年底，由于实验技术的积累，连亚霄等人逐渐开始在绿光 LED 中展示亚带隙电压发光。“但是器件发光效率仍然非常低，主要是非辐射复合所导致的损耗太大。”狄大卫说。
图丨由软件仿真得到的钙钛矿与有机 LED 中载流子浓度随电压的变化（来源：Nature Communications）
紧接着，狄大卫继续提出新的问题——在这个数值之下的光子都是阶跃的吗？当器件电压从小于提高到等于这个数值时，辐射的光子是突然出现的吗？如果用世界上最灵敏的光电探测器来测试，结果会怎样？
彼时还在剑桥大学进行博士后研究的赵保丹在访问浙江大学时，将 LED 的基本制备与测量方法传授给连亚霄等人，这也无形之中加速了研究进展。
连亚霄说道：“我将时间相关单光子计数器拆开，自主设计搭建了一套超灵敏的发光探测设备。把这套改装后的高灵敏测试系统连接到发光二极管测试系统中，这套系统相比标准测试仪器灵敏度提高了将近 7 个数量级。”
幸世宇在加入狄大卫课题组后，与连亚霄共同开展器件制备，并基于兰东辰提供的二极管模型进行数据拟合与分析，他表示，“我们进一步用无机的红绿蓝体系来验证，发现光子随电压均是连续变化而不是阶跃变化，我们确认了之前的问题在于测试系统导致的更低光子通量下的探测精度不足。”
值得关注的是，有些材料体系的辐射光子工作电压可以低至 0.36Eg/q，每个光子获得的“能量增益”高达 1.4eV，这些实验现象通过俄歇过程（极限：最低约 0.5Eg/q）、三线态激子湮灭上转换（极限：最低约 0.5Eg/q）、电场辅助电荷注入（极限：最低约 Eg/q）、热辅助上转换（提供最大能量仅约 0.1eV）等机制难以解释。
他们研究了包括钙钛矿、有机半导体、Ⅱ-Ⅵ 族量子点以及 III–V 族无机半导体等多个材料体系的 17 种 LED（几乎包含了所有类型的 LED），在低电压范围均表现出非常相似的辐射光子随电压连续变化的函数特性。“这说明，其中可能蕴含着统一的物理机制。”狄大卫表示。
图丨由简单 LED 模型生成的电致发光强度-电压曲线（来源：Nature Communications）
该团队采用单二极管模型来拟合低电压范围的光子数-电压曲线，其拟合的准确度 R2 均达到 0.95 以上，证明了在此区间的光子数-电压关系变化规律符合经典半导体二极管模型。
他们还发现，带隙较窄的 LED 一般具有更大的暗饱和电流，在同一电压下对应更高的发光强度。不同 LED 的实验测得的最低工作电压，随着暗饱和电流的升高而下降。
图丨钙钛矿 LED 在高于和低于带隙电压下的电致发光光谱（来源：Nature Communications）
改变 LED 带隙、发光效率和串联电阻，都能够改变相同电压下的发光强度。其中，带隙较宽的材料需要更高的电压，才能达到和窄带隙材料相同的光子通量，而提高发光效率也能够降低 LED 的表象阈值电压。
串联电阻的影响在较高电压时变得显著，这同样影响了 LED 的表象阈值电压。根据商用 LED 仿真软件 Setfos 的计算结果，他们发现了 LED 内载流子浓度分布随电压的变化关系。结合变温实验与软件仿真结果可以看出，发光二极管内的载流子浓度与产生的光子数随温度的变化函数均符合费米-狄拉克分布。
期待超低电压驱动的 LED 早日在通讯等领域实现应用
狄大卫表示，这是一项“兴趣驱动”的研究。“我也曾经不是很确定，离开了剑桥卡文迪许实验室，回国后在一个从零开始的新研究组能否将这样的研究做好。”他说。
幸运的是，在课题组学生不断进步的探索精神以及同事们的支持下，这项“特立独行”的研究得以实现。“我很庆幸课题组成员能够保持本心，开展一项能给领域带来更多思考的、承载着科研工作者内心志趣的研究。”狄大卫说。
总的来说，该团队的实验结果、二极管模型和软件模拟结果高度符合。这些证据共同揭示了超低电压驱动 LED 发光的原理: 遵循费米-狄拉克分布的非平衡带边载流子，在小电压扰动下的辐射复合。这个结论并不违反能量守恒定律，也无需引入额外的能量增益机制。
下一步，狄大卫团队计划研究超低电压驱动的 LED 与硅基波导结构进行集成，期望能实现超低电压光信号耦合，让超低电压驱动的 LED 在光通信领域真正“派上用场”。
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