[發明專利]亞帶隙電壓驅動的發光二極管的應用及光耦合器件

在審

• 申請號: 202110879765.7
• 申請日: 2021-08-02
• 公開（公告）號: CN113707649A
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發明（設計）人: 狄大衛;連亞霄;幸世宇;蘭東辰;趙保丹;郭兵兵
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L25/16
• 分類號: H01L25/16;H01L27/32
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 白冬冬

一種亞帶隙電壓驅動的發光二極管的應用及光耦合器件，屬于光電子器件與技術、光通信技術與系統領域。本發明的目的是設計并制備了一系列可在顯著低于帶隙的驅動電壓下發光材料并應用于發光二極管的亞帶隙電壓驅動的發光二極管的應用及光耦合器件。本發明發光材料在發光二極管上的應用，發光二極管在低于70%帶隙電壓的驅動電壓下發光，特別是在低于50%帶隙電壓的驅動電壓下發光。本發明在脈沖調制情況下可實現光耦合器功能，可實現超低功耗光耦合器集成器件功能，可以研究基于亞帶隙電壓驅動發光二極管的其它應用，包括低功耗微型化半導體器件、超高頻電信號傳輸、超低功耗的光通信系統、超低功耗光學計算、光學制冷、超低功耗光學探測等。

技術領域

本發明屬于光電子器件與技術、光通信技術與系統領域。

背景技術

目前，半導體材料由傳統應用在集成電路方面已經發展到應用于其它越來越廣泛的方面，由最開始的無機半導體發展為有機半導體，再到結合有機半導體和無機半導體各自優異性能的有機無機雜化半導體，其典型應用代表為目前的場效應晶體管、發光二極管、太陽能電池和光電探測器等，半導體材料在推動社會發展中占據越來越重要的地位。

目前半導體器件制備工藝和材料工藝已得到快速發展，在集成電路、消費電子、通信系統、光伏發電、照明應用、大功率電源轉換等領域得到越來越廣泛的應用，尤其發光二極管以其突出的優勢，在照明和通信領域占據越來越重要地位。隨著微電子技術和封裝技術的顯著進步，將半導體發光二極管作為信號發生器件，與信號接收器件、微處理器、存儲器相結合進行系統集成以實現光電耦合通信成為可能，在不久的將來可將這些子系統集成實現小型化。器件與系統實現小型化可以大幅度減少設備的功耗，但隨之帶來的一個挑戰是由于系統尺寸的限制，系統供電系統尤其是電池不能占據太多空間，但同時又要能夠保證足夠的續航能力，故對于實現其功能的各功能器件提出更低功耗要求，例如在光耦合器件進行信號通訊時，在信號光接收器件能夠分辨出有效信號前提下，減小器件總功耗有助于緩解供電系統壓力。

人類社會對節能環保技術的需求日益增長，新興技術的發展使得太陽能、風能、潮汐能等可再生能源替代化石燃料成為可能，光伏太陽能電池作為太陽能發電的核心部件，在可再生能源技術中的地位彌足重要，但目前高效率的單結太陽能電池輸出的電壓有限，若要采用單結太陽能電池或光電二極管作為電子設備的驅動電源，一般需要多個太陽能電池串聯或者多結疊層電池才能實現有效供電。目前大多集成電路采用的供電電壓較低，在很多的CMOS和場效應晶體管等形成的組合邏輯門電路中，采用的供電電壓為1.5V甚至更低。為實現更高的集成密度與未來光電子集成電路，需要進一步降低元器件的能耗，如器件能夠由數字邏輯電路直接供電或者采用單結太陽能電池供電，則可有效減少供電系統電路的復雜性并減少輔助電路帶來的附加能耗。因此，降低功能元器件的能耗是半導體材料及器件發展的重要方向，而減小能耗的一個有效途徑是降低系統中功能元器件的工作電壓。

發光二極管應用在照明領域已發展多年且技術日臻成熟，研究人員基于應用提出一系列標準參數來定義發光二極管的性能，例如閾值電壓、功率、正向電流、反向漏電流和光色等參數，閾值電壓作為源于無機半導體發光二極管中的一個重要概念，現在也被應用到很多的新材料發光二極管中。對于傳統無機半導體而言，其PN結的厚度為微米級別，而目前多種新型二極管的整體厚度為納米級別，如采用載流子傳輸能力更高的材料、則可能獲得較小的寄生電阻，這些寄生電阻所產生的分壓會相對減少，在發光層上的有效分壓會相對較大，理論上來講其閾值電壓會降低。目前多數基于新型材料的發光二極管在發光層兩端引入有機電荷傳輸層，以達到將電子空穴對最大限度限制在發光層中獲得較高的載流子濃度，進而達到高內量子效率的目標。然而有機電荷傳輸層一般具有較低的載流子密度與遷移率，會形成較大的串聯電阻，故在器件工作過程中，整個器件上的壓降大部分落在有機電荷傳輸層上，實際落在發光層上的電壓降較低。如果采用載流子傳輸能力較高的電荷傳輸層，同時有效約束電子空穴對在發光層中以保證有效發光，那么可大幅度減少電荷傳輸層上的壓降。同時必須實現電荷傳輸層與電極之間的歐姆接觸，此時由于不同材料導致的勢壘電阻很小可忽略不計，可進一步提高發光層中的準費米能級劈裂。