CN113707649A - 亚带隙电压驱动的发光二极管的应用及光耦合器件 - Google Patents
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Abstract
一种亚带隙电压驱动的发光二极管的应用及光耦合器件，属于光电子器件与技术、光通信技术与系统领域。本发明的目的是设计并制备了一系列可在显著低于带隙的驱动电压下发光材料并应用于发光二极管的亚带隙电压驱动的发光二极管的应用及光耦合器件。本发明发光材料在发光二极管上的应用，发光二极管在低于70%带隙电压的驱动电压下发光，特别是在低于50%带隙电压的驱动电压下发光。本发明在脉冲调制情况下可实现光耦合器功能，可实现超低功耗光耦合器集成器件功能，可以研究基于亚带隙电压驱动发光二极管的其它应用，包括低功耗微型化半导体器件、超高频电信号传输、超低功耗的光通信系统、超低功耗光学计算、光学制冷、超低功耗光学探测等。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件与技术、光通信技术与系统领域。
背景技术
目前，半导体材料由传统应用在集成电路方面已经发展到应用于其它越来越广泛的方面，由最开始的无机半导体发展为有机半导体，再到结合有机半导体和无机半导体各自优异性能的有机无机杂化半导体，其典型应用代表为目前的场效应晶体管、发光二极管、太阳能电池和光电探测器等，半导体材料在推动社会发展中占据越来越重要的地位。
目前半导体器件制备工艺和材料工艺已得到快速发展，在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明应用、大功率电源转换等领域得到越来越广泛的应用，尤其发光二极管以其突出的优势，在照明和通信领域占据越来越重要地位。随着微电子技术和封装技术的显著进步，将半导体发光二极管作为信号发生器件，与信号接收器件、微处理器、存储器相结合进行系统集成以实现光电耦合通信成为可能，在不久的将来可将这些子系统集成实现小型化。器件与系统实现小型化可以大幅度减少设备的功耗，但随之带来的一个挑战是由于系统尺寸的限制，系统供电系统尤其是电池不能占据太多空间，但同时又要能够保证足够的续航能力，故对于实现其功能的各功能器件提出更低功耗要求，例如在光耦合器件进行信号通讯时，在信号光接收器件能够分辨出有效信号前提下，减小器件总功耗有助于缓解供电系统压力。
人类社会对节能环保技术的需求日益增长，新兴技术的发展使得太阳能、风能、潮汐能等可再生能源替代化石燃料成为可能，光伏太阳能电池作为太阳能发电的核心部件，在可再生能源技术中的地位弥足重要，但目前高效率的单结太阳能电池输出的电压有限，若要采用单结太阳能电池或光电二极管作为电子设备的驱动电源，一般需要多个太阳能电池串联或者多结叠层电池才能实现有效供电。目前大多集成电路采用的供电电压较低，在很多的CMOS和场效应晶体管等形成的组合逻辑门电路中，采用的供电电压为1.5V甚至更低。为实现更高的集成密度与未来光电子集成电路，需要进一步降低元器件的能耗，如器件能够由数字逻辑电路直接供电或者采用单结太阳能电池供电，则可有效减少供电系统电路的复杂性并减少辅助电路带来的附加能耗。因此，降低功能元器件的能耗是半导体材料及器件发展的重要方向，而减小能耗的一个有效途径是降低系统中功能元器件的工作电压。
发光二极管应用在照明领域已发展多年且技术日臻成熟，研究人员基于应用提出一系列标准参数来定义发光二极管的性能，例如阈值电压、功率、正向电流、反向漏电流和光色等参数，阈值电压作为源于无机半导体发光二极管中的一个重要概念，现在也被应用到很多的新材料发光二极管中。对于传统无机半导体而言，其PN结的厚度为微米级别，而目前多种新型二极管的整体厚度为纳米级别，如采用载流子传输能力更高的材料、则可能获得较小的寄生电阻，这些寄生电阻所产生的分压会相对减少，在发光层上的有效分压会相对较大，理论上来讲其阈值电压会降低。目前多数基于新型材料的发光二极管在发光层两端引入有机电荷传输层，以达到将电子空穴对最大限度限制在发光层中获得较高的载流子浓度，进而达到高内量子效率的目标。然而有机电荷传输层一般具有较低的载流子密度与迁移率，会形成较大的串联电阻，故在器件工作过程中，整个器件上的压降大部分落在有机电荷传输层上，实际落在发光层上的电压降较低。如果采用载流子传输能力较高的电荷传输层，同时有效约束电子空穴对在发光层中以保证有效发光，那么可大幅度减少电荷传输层上的压降。同时必须实现电荷传输层与电极之间的欧姆接触，此时由于不同材料导致的势垒电阻很小可忽略不计，可进一步提高发光层中的准费米能级劈裂。
传统认为导带和价带实际是一系列能级，一般情况下导带不同能级的电子和价带不同能级的空穴均可发生辐射复合，辐射复合时产生的能量以光子的形式发出，综合考虑不同能级、波矢处的辐射复合概率以及态密度后辐射产生的某一能量处的光子数目最多，反映到光谱探测系统上即为电致发光光谱的峰值。
尽管传统二极管在光子带隙电压以下驱动时有光输出，但是由于带隙及缺陷，更多的电压是用于越过材料界面的势垒差以及填充浅能级缺陷，当电极与电荷传输层的功函数很接近时，电荷到达传输层及发光层的势垒很小，所需消耗的能量就很低。在一些新兴发光二极管领域，如有机、钙钛矿以及量子点发光二极管等领域，出于能量守恒的考虑，一般认为产生电致发光的最低理论驱动电压等于发光物质的带隙电压，要获得低于带隙的阈值电压则需要借助额外的能量。
现有的发光二极管技术存在以下不足，一方面，目前普遍认为发光二极管存在一个由带隙决定的阈值启亮电压，即需要在发光二极管器件电极加载高于阈值起亮电压的驱动电压，器件才可以辐射出光子。对于超低功耗的光电集成器件与电路，由于供电电压较低，这为发光二极管在系统中的有效应用带来了挑战。另一方面，目前常用的光耦合器件灵敏度较低，在进行光耦合通信时，制备的光耦合器件的本底噪声较高，为了实现有效信号检测，大多数对于噪声信号进行了滤波处理，故需要更强光信号才可以使得光探测器响应及进行数据有效传输，这也限制了器件的低功耗和小型化发展。
发明内容
本发明的目的是设计并制备了一系列可在显著低于带隙的驱动电压下发光材料并应用于发光二极管的亚带隙电压驱动的发光二极管的应用及光耦合器件。
本发明发光材料在发光二极管上的应用，发光二极管在低于70%带隙电压的驱动电压下发光，特别是在低于50%带隙电压的驱动电压下发光。
本发明发光材料包括钙钛矿材料、有机小分子发光材料、有机聚合物发光材料、III-V族半导体材料、II-VI族半导体材料、卤化物材料、氧化物材料、IV族材料、纳米晶体、二维材料、纳米线、稀土材料中的一种或者多种的组合。
本发明所述的发光二极管在光耦合器件上的应用。
本发明在脉冲调制情况下可实现光耦合器功能，可实现超低功耗光耦合器集成器件功能，为人们研究太阳能电池、发光二极管、光通信进行子系统之间集成扩展研究思路。另外可以研究基于亚带隙电压驱动发光二极管的其它应用，包括低功耗微型化半导体器件、超高频电信号传输、超低功耗的光通信系统、超低功耗光学计算、光学制冷、超低功耗光学探测等。
附图说明
图1是发光二极管工作结构图；
图2是本发明的技术路线方案图；
图3是近红外钙钛矿发光二极管的辐亮度-光子数-电压曲线图；
图4是近红外钙钛矿发光二极管的光谱曲线图；
图5是近红外钙钛矿发光二极管在亚带隙电压的光谱曲线图；
图6是启亮电压随传输层浓度变化图；
图7是绿光钙钛矿发光二极管的亮度-光子数-电压曲线图；
图8是绿光钙钛矿发光二极管在不同电压的光谱曲线图；
图9是绿光钙钛矿发光二极管在低于带隙电压的光谱曲线图；
图10是传输层对绿光钙钛矿发光二极管性能影响曲线图；
图11是钙钛矿发光二极管在亚带隙电压时光子数-电压曲线图；
图12是聚合物F8BT发光二极管的亮度-光子数-电压曲线图；
图13是聚合物F8BT发光二极管在带隙电压上下的光谱曲线图；
图14是小分子Rubrene发光二极管的亮度-光子数-电压曲线图；
图15是小分子Rubrene发光二极管在低于带隙电压的光谱曲线图；
图16是有机发光二极管在低于带隙电压的光子数-电压曲线图；
图17是II-VI量子点发光二极管的亮度-光子数-电压曲线图；
图18是II-VI量子点发光二极管在低于带隙电压的光谱曲线图；
图19是II-VI量子点发光二极管在低于带隙电压的光子数-电压曲线图；
图20是无机发光二极管的亮度-光子数-电压曲线图；
图21是无机发光二极管在带隙电压下的光子数-电压曲线图；
图22是已有技术所述的无机发光二极管的工作原理图；
图23是发光二极管在零偏置电压时工作原理图；
图24是发光二极管在非零正向偏置电压时工作原理图；
图25是超短脉冲驱动发光二极管工作示意图；
图26是超短脉冲驱动发光二极管工作波形图；
图27是提高通信速率的示意技术图；
图28是可实现提高通信速率的波形图；
图29是光耦合器的结构示意图。
具体实施方式
本发明通过对亚带隙电压驱动的发光二极管制备方案、工作机制、技术应用三方面进行说明，以溶液法制备发光二极管为实施例，采用以高灵敏光电探测器为核心的极微弱光探测方案，理论结合实验充分证明驱动电压显著低于带隙的发光二极管的可行性，同时低电压驱动的发光二极管也为硅基光子学提供了一种可靠的新型低能耗光源。本发明的有益效果是：实现了显著低于带隙电压驱动的电致发光器件，并结合高灵敏探测器实现超低功耗光耦合器件与系统，验证了亚带隙电压、超短电脉冲驱动发光二极管应用于超低功耗光耦合器件与系统、超高速低功耗器件与系统的可行性，同时利用低于硅带隙的驱动电压产生高于硅带隙能量的电致发光光子，为硅光电子器件集成拓展新的方向。基于本发明中所制备的亚带隙电压驱动发光二极管，可实现与其它低电压驱动器件系统集成，这为实现超低功耗半导体器件、超低压信号传输器件、超低功耗光通信系统、超低功耗光学计算、超低功耗光学探测、光学制冷、光电集成电路与芯片方面提供新的技术方案。
如果发光二极管中发光材料的带隙所对应的电压(带隙电压)为V g（V g = E g/q，E g为发光二极管发光材料对应的带隙，q为元电荷），这种发光二极管能够在低于70%带隙电压的驱动电压下发光，特别是在低于50%带隙电压的驱动电压下发光。例如，发光二极管工作在亚带隙低压系统中，可将单结太阳能电池等低电压源作为驱动源，以脉冲电压工作时每比特消耗能量可至百皮焦耳量级或以下，本技术可应用于超低功耗系统，包括发光晶体管、场效应管、电化学池、半导体激光器、发光二极管、光伏太阳能电池等器件。
薄膜型发光二极管一般由电极、电荷传输层、发光层等组成。目前多数基于新型材料(如有机半导体、量子点、钙钛矿等)的发光二极管在发光层两端引入有机电荷传输层，目的是达到将电子空穴对最大限度地限制在发光层中以获得较高的载流子浓度，进而实现较高的发光量子效率。然而，有机电荷传输层一般具有较低的载流子密度与迁移率，会形成较大的串联电阻，故在器件工作过程中，整个器件上的压降大部分落在有机电荷传输层上，实际落在发光层上的电压降较低。如果采用载流子传输能力较高的电荷传输层，同时将电子空穴对约束在发光层中以保证有效发光，则可大幅度减少电荷传输层上的压降。
本发明设计与制备了一系列工作电压低于带隙的发光二极管，一方面通过调控电荷传输层及发光层，调整电荷传输层与电极、电荷传输层与发光层之间的势垒以减少接触电阻，采用载流子传输能力高的电荷传输层，使得电荷传输层具有最小电压降以减少串联电阻，使得发光层上的有效电压降达到最高，同时将电子空穴对约束在发光层中，以实现有效的辐射复合。另一方面，结合高灵敏度的信号采集系统，大幅度提高对极微弱光的信号采集能力。最终将亚带隙电压驱动的发光二极管和高灵敏探测装置相集成，实现低驱动电压下的光信号产生、采集与处理。
发光二极管的发光物质可以是钙钛矿材料、有机小分子发光材料、有机聚合物发光材料、III-V族半导体材料、II-VI族半导体材料、卤化物材料、氧化物材料、IV族材料、纳米晶体、二维材料、纳米线、稀土材料中的一种或者多种的组合。
在对亚带隙电压进行脉冲调制时，可实现光耦合器和忆阻器功能，采用亚带隙电压脉冲调制的发光二极管可作为光通信器件中低压光源、低压光开关、光学编码器、光学译码器、光芯片或光学逻辑电路中超低压元器件，可为实现超低功耗光耦合器集成器件之间的系统集成提供新的技术方案。
可研究发光二极管与其它低电压器件进行系统集成，为实现超低功耗微型化半导体器件、超低压信号传输器件、超低功耗光通信系统提供新的技术方案，如发光二极管与太阳能电池集成为自供电发光系统、发光二极管与其它半导体器件集成为微型光电子芯片。基于本发明中所说明的发光二极管，可应用于超低功耗光学计算、光学制冷、辐射制冷、超低功耗光学探测等领域。
本发明提出一种基于亚带隙电压工作的超低功耗发光二极管及光耦合器件，其中发光二极管可在低于70%半导体带隙的驱动电压下发光，特别是在低于50%半导体带隙的驱动电压下即可工作。
现有的发光二极管技术存在以下不足，一方面，目前普遍认为发光二极管存在一个由带隙决定的阈值启亮电压，即需要在发光二极管器件电极加载高于阈值起亮电压的驱动电压，器件才可以辐射出光子。对于超低功耗的光电集成器件与电路，由于供电电压较低，这为发光二极管在系统中的有效应用带来了挑战。另一方面，目前常用的光耦合器件灵敏度较低，在进行光耦合通信时，制备的光耦合器件的本底噪声较高，为了实现有效信号检测，大多数对于噪声信号进行了滤波处理，故需要更强光信号才可以使得光探测器响应及进行数据有效传输，这也限制了器件的低功耗和小型化发展。本发明所要解决的技术问题在于，一方面是设计并制备了一系列可在显著低于带隙的驱动电压下发光的发光二极管，说明驱动电压显著低于半导体带隙的发光二极管有效工作的技术可行性。另一方面通过对常用的光电探测器工作原理进行分析，常用光电探测器其灵敏度都比较低，故对于低工作电压下的电致发光光子难以探测到，对于高灵敏探测器，由于其高信噪比，其灵敏度高于低灵敏度探测器几个数量级，对于亚带隙电压下产生的光子仍能够探测到，结合高灵敏探测器，可将亚带隙工作的发光二极管与光电探测器相集成。基于以上两点，本发明实现了一系列驱动电压显著低于带隙电压的发光二极管，并通过对这类器件工作原理的说明，提出低电压发光二极管的设计要素，包括但不限于电荷传输层具有较高的载流子传输能力，且电极、电荷传输层、发光层之间具有非常小的接触势垒，进而实现器件非常低的串联电阻和非常高效的载流子注入效率，实现在相同驱动电压下发光层内具有最大的分压，即获得最大的准费米能级劈裂，最终使得发光层中电子和空穴有效复合而辐射出光子。通过对光电探测器的信号采集结构进行说明，对比低灵敏和高灵敏探测器的工作模式，说明高灵敏探测器在弱光探测中的优势。最后将亚带隙电压驱动的发光二极管和高灵敏探测器进行系统集成实现超低功耗光耦合集成器件。基于本发明的技术可拓展至发光二极管与硅光电子器件、数字逻辑电路以及其它低压器件进行系统集成，包括低功耗微型化半导体器件、超低压信号传输器件、超低功耗的光通信系统、超低功耗光学计算、光学制冷、超低功耗光学探测等。
为说明本发明中的技术方法，本发明以目前常用的平面型器件结构为例进行说明。
图1所示为钙钛矿发光二极管、有机聚合物发光二极管器件、有机小分子发光二极管器件、量子点发光二极管等新型发光器件的工作结构图，其中P_1为供电电源，N_1为阳极电极，N_2为空穴传输层（电子阻挡层），N_3为发光层，N_4为电子传输层（空穴阻挡层），N_5为阴极电极。目前多数高效率器件采用的电荷传输层其载流子迁移率较低，故产生较大的寄生电阻，而发光层通常较薄因此造成器件在工作时多数的压降都落在电荷传输层上。当改变空穴传输层、电子传输层为高载流子迁移率材料，减小其寄生电阻，会降低器件工作所需的总体压降，且可降低器件整体热损耗，由于器件总电阻降低，故可通过更大电流，可为低压大电流器件提供技术方案。
本发明解决当前技术问题的技术方案如图2所示
步骤L1，说明发光二极管的工作原理，对器件工作电压影响较大的是电极以及电荷传输层的载流子注入与载流子传输能力。发光二极管各层间的势垒高度以及各层的迁移率、载流子浓度和缺陷态密度会显著的影响输运和注入能力，因此通过优化这几个要素可保证低电压、低电流密度下电子空穴对在发光区形成高效的辐射复合。步骤L2，选取具有高载流子迁移率和能级匹配的电荷传输层和发光层，说明在普通无机发光二极管、钙钛矿发光二极管、有机聚合物发光二极管、有机小分子发光二极管、量子点发光二极管中，由于电荷传输层载流子迁移率、电荷传输层和发光层的势垒限制，导致了器件工作时大部分压降落在电荷传输层以及势垒上，发光层上真实压降很小，因而发光层内的准费米能级劈裂很小导致非平衡载流子浓度很低。步骤L3，分析低灵敏探测器测量的原理，说明对于非常低的光子数量，低灵敏度探测器难以探测的原因。步骤L4，分析高灵敏探测器测量的原理，说明高灵敏探测器在测量非常低的光子数量方面的优势。步骤L5结合器件工作曲线说明在应用高灵敏探测器时，能够探测到更低的光子数，说明亚带隙电压时发光二极管在工作，能够辐射出光子，表明在有载流子注入的情况下即有电子空穴对并可形成有效的辐射复合产生光子。步骤L6，根据高灵敏度探测器测量曲线说明可以结合亚带隙发光二极管和光电探测器组成信号传输器件。步骤L7，说明发光二极管可以提高信号传输速率的策略，对于同样材料的器件与系统，通过采用降低发光二极管驱动源峰值电平的方法，以减小上升沿和下降沿的时间，减小每个脉冲的周期，从而可减小每帧数据的周期，能够大幅度提高数据通信速率。步骤L8，将发光二极管与高灵敏度探测器集成为光耦合器件以应用于光通信，为研究人员拓展思路，基于此可研究与其它超低压器件进行系统集成，包括低功耗微型化半导体器件、超低压信号传输器件、超低功耗的光通信系统。
本发明的有益效果是：实现了一系列驱动电压显著低于带隙电压的发光二极管，并通过对这一系列器件工作原理的说明，提出实现低电压发光二极管的设计要素，且通过高灵敏探测器探测发光二极管在亚带隙电压工作时辐射的光子，进一步证明发光二极管工作电压可非常低，这为实现超低功耗发光二极管及光耦合器件进行了理论和实验上的指导。基于本发明中所叙述的发光二极管工作原理，可实现发光二极管与其它超低压器件的系统集成，为超低压器件与系统方面提供参考，如为实现超低功耗微型化半导体器件、超低压信号传输器件、超低功耗光通信系统、超低功耗光学计算、光学制冷、超低功耗光学探测提供技术参考。
以下结合附图，对本发明实施例进行清楚、完整的描述：
一、高低灵敏光电探测器的区别
①低灵敏光电探测器工作原理
对于目前难以测到亚光子电压以下光信号的原因主要有以下两个方面。一是发光二极管器件内部产生的光子数少，能够辐射出器件的光子数量更少，由于电荷注入到发光层后，会有一部分损耗，且发光器件各层材料折射率比较高，环境中折射率低，内部产生的光子在向外折射过程中，大部分光子在器件内壁会发生内反射又进入器件内部，根据材料折射率进行理论计算，在保证内量子效率为100%时，在没有光束耦合结构情况下，其最大外量子效率为30%。二是探测器的探测灵敏度低，普通的亮度计采用的探头为面阵CCD，Ocean系列光谱仪采用的为线阵CCD，包括目前采用的很多经校准的光电探测器，如硅基探测器、四象限探测器、测量红外波段的InGaAs探测器，均为基于无机半导体的PIN结构、PN结构，在信号输出端均未进行信号放大，而是将采集的光信号转化为电流信号直接输出。接收电流信号的主机为示波器、采集卡及光谱仪等无电信号放大的仪器设备，光电信号输入到主机后进行滤波降噪处理，故对于较强的光信号，探测器能够接收到有效信号，同时在主机上能够有效响应，但对于较弱的光信号，一般的探测器便难以探测。这是由于低灵敏探测器本身设计时为提高信噪比，保证信号的有效性，进行了滤波处理，对于弱信号由其内部的RC滤波电路进行了第一级滤波从而滤掉杂散信号。另外在探测器主机中，以光谱仪为例，为了实现测出的曲线平滑美观，其做了多次平均滤波、平滑滤波、插值滤波，对于较强的信号能够测量到完整的信号，但是对于弱信号会丢失部分信号。
②高灵敏光电探测器工作原理
目前越来越多高性能探测器出现，例如基于雪崩光电二极管APD、光电倍增管PMT探测器的采集卡，对于弱信号探测展现出强大的优势，雪崩光电二极管APD其本身具有倍增因子，可广泛应用于弱信号探测、单光子探测，对于检测的弱光信号进行光电转化后，进行高增益跨阻放大处理，先进行一级放大，同时经π型滤波电路处理后，再经过高增益同向放大电路进行二次放大，输出的电信号再经过π型滤波和脉冲整形从而得到有效信号，通过对噪声信号的陷波处理和滤波处理，可探测到高信噪比的弱光信号，使得对于弱信号的提取成为可能，通过高灵敏探测器可以探测到低于普通探测器几个数量级的弱信号。
基于对发光二极管和光电探测器两方面的论述，说明将高灵敏度的雪崩光电探测器APD用于发光二极管弱光信号探测在技术层面上的可行性。在发光二极管用亚带隙电压驱动时，普通的光电探测器已经不能够测到信号，发光二极管所辐射出的非常弱的光子信号被湮没到光电探测器的本底噪声中，大多数设备默认此时是低于阈值启亮电压，发光二极管没有辐射出光子信号。但是用高灵敏度的光电探测器仍能够测到有效信号，且将高灵敏探测器探测信号与低灵敏探测器探测信号对比，其光强曲线趋势相同，说明此时发光二极管确实是在工作，且有光子辐射出二极管，表明二极管已经在发光。
综上可知，即对于半导体发光二极管，在注入电流的情况下便会产生电子空穴对复合产生光子，产生的光子能够辐射出器件表面，同时环境中热也会影响二极管内的电子空穴对的动态平衡以产生复合，只是这部分光子太弱，且环境中的光已经湮没发光二极管发出的光子，需要超高灵敏度的探测器才能够探测到，但说明发光二极管已经产生光子，在电流注入情况下有电子空穴对的复合便会辐射出光子。
通过对比分析低灵敏和高灵敏探测器系统的信号采集结构，说明高灵敏探测器在极弱光探测中的优势，本发明中通过采用优于常规探测器几个数量级灵敏度的高灵敏探测器，可探测到发光二极管在亚带隙电压下发出的光子，意味着亚带隙电压下器件已辐射出光子，通过将亚带隙电压驱动的发光二极管和高灵敏探测器进行系统集成，可实现超低功耗光耦合集成器件。
二、不同体系发光二极管的制备及表征
1、近红外钙钛矿发光二极管器件的制备流程
①近红外钙钛矿发光二极管的制备方法
近红外钙钛矿发光二极管是制备在ITO导电玻璃上，ITO导电玻璃的尺寸为12mm*12mm，ITO导电玻璃在使用前用去离子水、丙酮、异丙醇、去离子水、异丙醇、去离子水、异丙醇7个步骤分别进行15分钟超声清洗。清洗完成的ITO导电玻璃放到UV-Ozone臭氧清洗机中进行15分钟臭氧处理，之后将ITO导电玻璃转移到充满高纯氮的手套箱，将ITO导电玻璃放到真空旋涂机上进行电荷传输材料旋涂，电荷传输材料名称为氧化锌（简称为ZnO）。ZnO溶解在乙醇溶液中，浓度为30mg/ml，涂覆电荷传输材料ZnO时，用量程100uL的移液枪吸取30uL的电荷传输溶液涂覆到ITO导电玻璃上，开启真空旋涂机以5000 rpm/s转速旋涂60 s，旋涂完成电荷传输材料的ITO导电玻璃放置到热台上进行150 ℃退火10 min，得到平整的电荷传输材料ZnO薄膜。
随后将覆盖有电荷传输材料的ITO导电玻璃转移到充满高纯氮的手套箱旋涂PEIE溶液，用量程100uL的移液枪吸取30uL的电荷传输溶液涂覆到ITO导电玻璃上，开启真空旋涂机以5000 rpm/s转速旋涂60 s，旋涂完成PEIE的ITO导电玻璃放置到热台上进行100 ℃退火10 min。
钙钛矿前驱体溶液为NMA2FAn–1PbnI3n+1，其由NMAI、FAI和PbI2按照摩尔质量比2:1.8:2溶解在二甲基甲酰胺（简称为DMF）中，溶液浓度为0.08 mol/L，溶液放置于60℃热台上搅拌1h。将ITO导电玻璃放到真空旋涂机上，用量程100uL吸取30uL的钙钛矿前驱体溶液涂覆到有PEIE的ITO导电玻璃上，开启真空旋涂机按钮以5000 rpm/s转速旋涂60 s，100 ℃退火10 min后得到平整的钙钛矿薄膜。
接下来涂覆空穴传输层材料聚合物三苯基二胺衍生物（简称为Poly-TPD），其溶解在氯苯（简称CB）中，浓度为12mg/ml，用量程100uL吸取30uL的电荷传输层溶液涂覆到有钙钛矿的ITO导电玻璃上，开启真空旋涂机按钮以4000 rpm/s转速旋涂60 s。
最后将玻璃转移到真空镀膜机中蒸镀电极材料MoO3/Au，蒸镀速率由石英晶振片测量，通过掩膜版可限制发光尺寸为5.25mm2， MoO3的厚度为15nm，金属铝Au蒸镀的厚度为100nm。
②近红外钙钛矿发光二极管的表征
如图3所示为近红外钙钛矿发光二极管的辐亮度-光子数-电压曲线，其中左侧轴为辐亮度Radiance（单位为W sr-1 m-2），右侧轴为光子数Photon counts（单位为s-1），横轴为电压Voltage（单位为V），图中虚线为对应近红外钙钛矿发光二极管的带隙电压1.56V，可以看出器件在带隙电压以下便有辐亮度，在对应带隙电压时的辐亮度已经有2W sr-1 m-2，表明器件有光子辐射出器件，同时能够被亮度计探测到。
图4所示为近红外钙钛矿发光二极管器件在高于带隙电压的工作光谱，图中为高于带隙电压时的工作波形图，可以看出加载到器件两端的电压在变化时，其光谱形状没有发生变化，说明器件具有比较高的光谱稳定性。
图5所示为近红外钙钛矿发光二极管器件在低于带隙电压的工作光谱图，图中为低于带隙电压时的工作波形图，可以看出加载到器件两端的电压在变化时，其光谱形状没有发生变化，综合图4和图5，进一步表明器件在带隙之下和带隙之上的产生荧光的工作机制是相同的。
图6为传输层厚度变化对器件性能的影响，其中左侧纵轴为辐亮度Radiance（单位为W sr-1 m-2），横轴电压Voltage（单位为V），图内基于不同浓度传输层的器件工作时辐亮度随电压变化，可看出随着浓度的增加，启亮电压也会增加。为实现发光二极管在亚带隙电压辐射出最多的光子，则要求器件的电荷传输层具有较高的载流子迁移率，且电极与电荷传输层、电荷传输层与发光层之间尽可能形成欧姆接触，进而实现器件内部极低的串联电阻，最终在发光层上形成最有效的载流子注入。
、绿光钙钛矿发光二极管器件的制备流程
①绿光钙钛矿发光二极管的制备方法
绿光钙钛矿发光二极管是制备在ITO导电玻璃上，ITO导电玻璃清洗方法如上所述。之后将ITO导电玻璃转移到充满高纯氮的手套箱，将ITO导电玻璃放到真空旋涂机上进行电荷传输材料旋涂，电荷传输材料名称为聚[(N,N’-(4-正丁基苯基)-N,N’-二苯基-1,4-苯二胺)-alt-(9,9-二正辛基芴基-2,7-二基)]（简称为TFB）。TFB溶解在氯苯溶液（简称CB）中，浓度为6mg/ml，涂覆电荷传输材料TFB时，用量程100uL的移液枪吸取30uL的电荷传输溶液涂覆到ITO导电玻璃上，开启真空旋涂机以3000 rpm/s转速旋涂60 s，旋涂完成电荷传输材料的ITO导电玻璃放置到热台上进行120 ℃退火10 min，得到平整的电荷传输材料TFB薄膜。
随后将覆盖有电荷传输材料的ITO导电玻璃转移到真空镀膜机中进行极性界面LiF蒸镀。真空蒸镀的气压为5 x 10-4 Pa，蒸镀速率由石英晶振片测量，蒸镀速率为0.01nm/s，极性界面LiF蒸镀厚度为1nm。蒸镀完极性界面LiF的ITO导电玻璃衬底再转移到充满高纯氮的手套箱进行钙钛矿溶液旋涂。
钙钛矿前驱体溶液为PEAnCsn-1PbnBr3n+1，其由110mg的溴化铅（PbBr2）、64mg的溴化铯（CsBr）和24mg的2-苯乙基溴化铵（PEABr）溶解在1mL的二甲基亚砜（DMSO）溶液中，溶液浓度为0.3 mol/L，溶液放置于60℃热台上搅拌1h。旋涂时将ITO导电玻璃放到真空旋涂机上，用量程100uL吸取30uL溶液涂覆到蒸镀有极性界面和电荷传输材料的ITO导电玻璃上，开启真空旋涂机按钮以3000 rpm/s转速旋涂60 s，60 ℃退火10 min即可得到平整的钙钛矿薄膜。
将旋涂完钙钛矿的ITO导电玻璃再放入真空镀膜机进行电荷传输材料蒸镀，电荷传输材料名称为2,2'，2“-（1,3,5-苯并咪唑）-三（1-苯基-1-H-苯并咪唑）（简称为TPBi），真空蒸镀的气压为5 x 10-4 Pa，蒸镀速率由石英晶振片测量，蒸镀速率为0.1 nm/s，TPBi的厚度为40nm。
蒸镀完电荷传输材料TPBi后，更换蒸镀的金属掩膜版，通过掩膜版可限制发光尺寸为5.25mm2，蒸镀电极材料氟化锂LiF和Al，蒸镀速率由石英晶振片测量，氟化锂LiF蒸镀速率为0.01 nm/s，LiF的厚度为1nm，金属铝Al蒸镀的厚度为100nm。
②绿光钙钛矿发光二极管的表征
如图7所示为绿光钙钛矿发光二极管的亮度-光子数-电压曲线，其中左侧轴为亮度Luminance（单位为cd m-2），右侧轴为光子数Photon counts（单位为s-1），横轴为电压Voltage（单位为V），图中虚线为对应绿光钙钛矿发光二极管的带隙电压2.40V，可以看出器件在带隙电压以下便有亮度，在对应带隙电压时的亮度已经有100 cd m-2，表明器件有光子辐射出器件，同时能够被亮度计探测到。
图8所示为绿光钙钛矿发光二极管器件在高于带隙电压的工作光谱，图中为高于带隙电压时的工作波形图，可以看出加载到器件两端的电压在变化时，其光谱形状没有发生变化，说明器件工作的光谱比较稳定。
图9所示为绿光钙钛矿发光二极管器件在低于带隙电压的工作光谱图，图中为低于带隙电压时的工作波形图，可以看出加载到器件两端的电压在变化时，其光谱形状没有发生变化，综合图8和图9，进一步表明器件在带隙之下和带隙之上的产生荧光的工作机制是相同的。
图10为传输层厚度变化对器件性能的影响，其中为不同电子传输层，当采用电子迁移率高的材料后，启亮电压会降低，同时对于相同的电子传输层，当减小厚度后，其启亮电压也会降低，这说明部分降低了传输层的串联电阻。为实现发光二极管在亚带隙电压辐射出最多的光子，则要求器件的电荷传输层具有较高的载流子迁移率，且电极与电荷传输层、电荷传输层与发光层之间尽可能形成欧姆接触，进而实现器件内部极低的串联电阻，最终在发光层上形成最有效的载流子注入，形成发光层上最大的准费米能级劈裂，从而使得发光层中的非平衡电子和非平衡空穴产生有效辐射复合形成电致发光。
图11所示为高灵敏光电探测器测量到的发光二极管的光子数和电压曲线，横轴为电压Voltage，单位为V，纵轴为Photon counts，单位为s-1。图中曲线分别为近红外钙钛矿发光二极管、绿光钙钛矿发光二极管的光子数曲线图，相比低灵敏度的亮度计，能够探测对应器件更低电压下的光子数，这表明器件在更低电压时已经有光子辐射出器件。
、聚合物发光二极管器件的制备流程
①聚合物发光二极管的制备方法
聚合物发光二极管是制备在ITO导电玻璃上，ITO导电玻璃清洗方法如上所述。之后将ITO导电玻璃转移到通风柜中，将ITO导电玻璃放到真空旋涂机上进行电荷传输材料旋涂，电荷传输材料名称为PEDOT：PSS。浓度为30mg/ml，用量程100uL的移液枪吸取60uL的电荷传输溶液涂覆到ITO导电玻璃上，开启真空旋涂机以7000 rpm/s转速旋涂60 s，旋涂完成电荷传输材料的ITO导电玻璃放置到热台上进行150 ℃退火10 min，得到平整的电荷传输材料PEDOT：PSS薄膜。
随后将覆盖有电荷传输材料的ITO导电玻璃转移到充满高纯氮的手套箱旋涂F8BT溶液，F8BT溶液浓度为14mg/ml，用量程100uL的移液枪吸取60uL的F8BT溶液涂覆到ITO导电玻璃上，开启真空旋涂机以5000 rpm/s转速旋涂60 s，旋涂完成F8BT的ITO导电玻璃放置到热台上进行160 ℃退火10 min。
最后将玻璃转移到真空镀膜机中蒸镀电极材料Ca/Al，蒸镀速率由石英晶振片测量，通过掩膜版可限制发光尺寸为5.25mm2，Ca的厚度为3.5nm，金属铝Al蒸镀的厚度为100nm。
②聚合物发光二极管的表征
如图12所示为聚合物F8BT发光二极管的亮度-光子数-电压曲线，其中左侧轴为亮度Luminance（单位为cd m-2），右侧轴为光子数Photon counts（单位为s-1），横轴为电压Voltage（单位为V），图中虚线为对应聚合物F8BT发光二极管的带隙电压2.30V，可以看出器件在带隙电压以下便有亮度，在对应带隙电压时的亮度已经有0.2cd m-2，表明器件有光子辐射出器件，同时能够被亮度计探测到。
图13所示为聚合物F8BT发光二极管器件在低于带隙电压的工作光谱图，图中为低于带隙电压时的工作波形图，可以看出加载到器件两端的电压在变化时，其光谱形状没有发生变化，进一步表明器件在带隙之下和带隙之上的产生荧光的工作机制是相同的。
、小分子发光二极管器件的制备流程
①小分子发光二极管的制备方法
小分子发光二极管是制备在ITO导电玻璃上，ITO导电玻璃清洗方法如上所述。之后将ITO导电玻璃转移到通风柜中，将ITO导电玻璃放到真空旋涂机上进行电荷传输材料旋涂，电荷传输材料名称为PEDOT：PSS。浓度为30mg/ml，用量程100uL的移液枪吸取60uL的电荷传输溶液涂覆到ITO导电玻璃上，开启真空旋涂机以7000 rpm/s转速旋涂60 s，旋涂完成电荷传输材料的ITO导电玻璃放置到热台上进行150 ℃退火10 min，得到平整的电荷传输材料PEDOT：PSS薄膜。
随后将覆盖有电荷传输材料的ITO导电玻璃转移到真空镀膜机中蒸镀小分子Rubrene、C60、BCP和金属电极Ag，其厚度分别为35nm、25nm、6nm和120nm，蒸镀速率由石英晶振片测量，通过掩膜版可限制发光尺寸为5.25mm2。
②小分子发光二极管达到的表征
如图14所示为小分子Rubrene发光二极管的亮度-光子数-电压曲线，其中左侧轴为亮度Luminance（单位为cd m-2），右侧轴为光子数Photon counts（单位为s-1），横轴为电压Voltage（单位为V），图中虚线为对应小分子Rubrene发光二极管的带隙电压2.20V，可以看出器件在带隙电压以下便有亮度，在对应带隙电压时的亮度已经有10cd m-2，表明器件有光子辐射出器件，同时能够被亮度计探测到。
图15所示为小分子Rubrene发光二极管器件在低于带隙电压的工作光谱图，图中为低于带隙电压时的工作波形图，可看出加载到器件两端的电压在变化时，其光谱形状没有发生变化，进一步表明器件在带隙之下和带隙之上的产生荧光的工作机制是相同的。
图16所示为高灵敏光电探测器测量到的发光二极管的光子数和电压曲线，横轴为电压Voltage，单位为V，纵轴为Photon counts，单位为s-1。图中分别大分子聚合物F8BT发光二极管、小分子Rubrene发光二极管的光子数曲线图，相比低灵敏度亮度计下曲线，能够探测对应器件在更低的电压下的光子数，这表明器件在更低电压时已经有光子辐射出器件。
、II-VI族量子点发光二极管器件的制备流程
①II-VI族量子点发光二极管的制备方法
II-VI族量子点发光二极管是制备在ITO导电玻璃上，ITO导电玻璃清洗方法如上所述。之后将ITO导电玻璃转移到通风柜中，将ITO导电玻璃放到真空旋涂机上进行电荷传输材料旋涂，电荷传输材料名称为PEDOT：PSS。浓度为30mg/ml，用量程100uL的移液枪吸取60uL的电荷传输溶液涂覆到ITO导电玻璃上，开启真空旋涂机以7000 rpm/s转速旋涂60 s，旋涂完成电荷传输材料的ITO导电玻璃放置到热台上进行150 ℃退火10 min，得到平整的电荷传输材料PEDOT：PSS薄膜。
随后将覆盖有电荷传输材料的ITO导电玻璃转移到充满高纯氮的手套箱，涂覆空穴传输层材料TFB，其溶解在氯苯（简称CB）中，浓度为12mg/ml，用量程100uL吸取30uL的电荷传输层溶液涂覆到有钙钛矿的ITO导电玻璃上，开启真空旋涂机按钮以2000 rpm/s转速旋涂60 s，放置到热台上进行160 ℃退火10 min。
随后旋涂II-VI族量子点溶液，溶液为CdSe/ZnS的量子点溶液，浓度为15mg/ml，用量程100uL的移液枪吸取60uL的CdSe/ZnS溶液涂覆到TFB的ITO导电玻璃上，开启真空旋涂机以2000 rpm/s转速旋涂60 s，旋涂完成CdSe/ZnS的ITO导电玻璃放置到热台上进行120℃退火10 min。接下来旋涂ZnO溶液，浓度为30mg/ml，开启真空旋涂机以2000 rpm/s转速旋涂60 s。
最后将玻璃转移到真空镀膜机中蒸镀电极材料Ag，蒸镀速率由石英晶振片测量，通过掩膜版可限制发光尺寸为5.25mm2，金属Ag蒸镀的厚度为100nm。
②II-VI族量子点发光二极管的表征
如图17所示为II-VI族量子点发光二极管的亮度-光子数-电压曲线，其中左侧轴为亮度Luminance（单位为cd m-2），右侧轴为光子数Photon counts（单位为s-1），横轴为电压Voltage（单位为V），图中虚线为对应II-VI族量子点发光二极管的带隙电压1.96V，可以看出器件在带隙电压以下便有亮度，在对应带隙电压时的亮度已经有100cd m-2，表明器件有光子辐射出器件，同时能够被亮度计探测到。
图18所示为II-VI量子点发光二极管器件在低于带隙电压的工作光谱图，图中为低于带隙电压时的工作波形图，可以看出加载到器件两端的电压在变化时，其光谱形状没有发生变化，进一步表明器件在带隙之下和带隙之上的产生荧光的工作机制是相同的。
图19所示为高灵敏光电探测器测量到的发光二极管的光子数和电压曲线，横轴为电压Voltage，单位为V，纵轴为Photon counts，单位为s-1。图中为II-VI族量子点发光二极管光子数曲线图，相比低灵敏度亮度计下曲线，能够探测对应器件在更低的电压下的光子数，这表明器件在更低电压时已经有光子辐射出器件。
6、III-V族无机发光二极管器件
如图20所示为III-V族无机发光二极管的亮度-光子数-电压曲线，其中左侧轴为亮度Luminance（单位为cd m-2），右侧轴为光子数Photon counts（单位为s-1），横轴为电压Voltage（单位为V），图中虚线为对应无机发光二极管的带隙电压1.95V，可以看出器件在带隙电压以下便有亮度，在对应带隙电压时的亮度已经有10000cd m-2，表明器件很多光子辐射出器件，同时能够被亮度计探测到。
图21所示为高灵敏光电探测器测量到的发光二极管的光子数和电压曲线，横轴为电压Voltage，单位为V，纵轴为Photon counts，单位为s-1。图中为无机发光二极管光子数曲线图，相比低灵敏度亮度计下曲线，能够探测对应器件在更低的电压下的光子数，这表明器件在更低电压时已经有光子辐射出器件。
综合上述一系列不同材料体系的发光二极管，这说明在带隙之下能够辐射出光子的现象并不是某一体系器件的特别现象，均可以实现带隙以下电压的器件工作，本发明接下来对发光二极管的工作原理进行说明。
三、发光二极管的工作原理
①已有技术中的发光二极管工作原理
根据本发明的一方面，先行表述多数研究人员所认识的发光二极管器件工作原理。如图22所示为无机发光二极管的工作原理图，Pow_1为供电电源，B_1为P型半导体带隙，Ef_1为P型半导体中费米能级，Photon_1为辐射复合发出的光子，hv为辐射复合的光子能量，V_1为P型半导体价带空穴，V_T_1为空穴注入过程，H_1为发光复合中心附近的空穴，Photon_recom_1为发光复合中心，E_1为发光复合中心附近电子，C_T_1为电子注入过程，C_1为N型半导体导带电子。
在无机半导体发光二极管两端加正向电压后，当达到平衡态时，由于电极为欧姆接触，故发光二极管正极与电源正极、发光二极管负极与电源负极无电势差，但是正负电极的电势差会使得PN结两端能带倾斜。由电极注入的电子空穴会发生定向移动，其中P型半导体价带V_1位置有大量空穴，需要经由V_T_1过程越过势垒达到发光复合中心Photon_recom_1附近变为H_1。N型半导体导带C_1位置储存大量电子，需要经由C_T_1过程越过势垒到达发光复合中心Photon_recom_1附近变为E_1，对于越过势垒的电子空穴对相当于是落入势阱，在阱内电子和空穴的波函数重叠增加更有利于辐射复合，最终在发光复合中心产生能量为hv光子Photon_1，电极有源源不断的电子、空穴注入以维持平衡。
对于理想无缺陷的半导体，理论上电极注入的每个电子空穴对均可以无损耗的最终产生辐射复合，但是半导体不可能完美无缺陷，半导体内同时存在电子或空穴的缺陷和陷阱。一方面电子或空穴会在缺陷中心发生非辐射复合而损失能量，另一方面电子和空穴会被对应的陷阱捕获导致载流子浓度降低，进而影响辐射复合速率并增加了器件的串联电阻。当电极以小电流密度注入时，由于载流子浓度较低，非辐射复合的占比更高，器件的电光效率低；当电极以大电流密度注入时，载流子浓度显著升高辐射复合的占比增大，非辐射复合的占比会减小，器件的电光效率会增加。因而通过提高低电压下的载流子注入并减少半导体内的缺陷态密度，可减小非辐射复合的比例，以提高辐射复合的比例，实现低电压下器件的高发光效率。
②本发明中所述的发光二极管工作原理
通过对亚带隙器件的制备工艺分析和光电探测器系统的分析，接下来说明下器件的可能的工作原理，其中发光二极管的电极和电荷传输层之间势垒非常小、电荷传输层和发光层之间势垒非常小时，按照零偏压和有偏压时器件内部的工作机制。
如图23所示为发光二极管在零偏置电压时的工作原理图，左图为器件内部各功能层能带结构示意图，右图为电子、空穴分别在发光层内导带与价带中占据概率示意图。左图中器件内部结构分布图分为阳极、p型区域、发光层区域、n型区域、阴极，在发光二极管电极两端没有偏置电压时，器件内费米能级处于平齐状态，p型区域为空穴多子区域，通常采用p型有机或无机半导体材料（有时会辅以高功函数的n型半导体材料作为空穴注入层）；n型区域为电子多子区域，通常采用n型有机或无机半导体材料。热平衡态条件下，p型区域中的空穴作为多子可经扩散运动到达发光层，n型区中的电子同样通过扩散进入发光层，随着多数载流子的不断扩散，会在发光层两侧形成空间电荷区（或偶极层）从而形成加在发光区上的内建电场，内建电场导致的漂移电流与扩散电流相反，并最终与扩散电流抵消而达到热平衡。右图中CBM为发光层材料导带底，VBM为发光层材料价带顶，横轴为F(E)∈(0,1)表示载流子的能量分布概率，纵轴为能量，表明器件在无外加偏置电压的热稳态时，其导带和价带上仍有电子和空穴存在。在器件处于热稳态时，发光层内电子和空穴发生辐射复合形成光子到环境中，该复合过程与从环境中吸收相同能量分布光子的概率相同，所以从器件外部无法探测到实际辐射出来的光子。
图24所示为发光二极管在非零正向偏置电压时的工作原理图。与图23组成相同，左图为器件内部各功能层能带结构示意图，右图为电子、空穴分别在发光层内导带与价带中占据概率示意图。当在发光二极管电极两端加以不为零的偏置电压时，器件内产生准费米能级劈裂（如图11中左图所示），形成电子准费米能级与空穴准费米能级，分别记作E fn 和E fp 。考虑电极与传输层半导体材料为欧姆接触，且各传输层材料的导电性足够高，在小电流工作时其中性区上的电压降可以忽略不计，此时有E fn -E fp = V，其中V为外加驱动电压。必须要注意的是虽然准费米能级的劈裂大小在数值上等于外加偏压，但是准费米能级劈裂本质上依赖于有效的载流子注入带来的发光区内载流子浓度的变化（如右图所示），在实际的发光二极管器件中由于载流子注入效率较低，一般有E fn -E fp < V。在图23的描述中已经明确了发光二极管在零偏压下，本质上是器件内扩散电流与漂移电流的动态平衡，当外加非零正偏压时，由于外加电场方向与内建电场方向相反，将削弱内建电场驱动的漂移电流，此时由p型区扩散进入发光区的空穴，以及由n型区扩散进入发光区的电子将占据主导，该扩散电流将成为有效的注入电流，向发光区中注入非平衡载流子。最终非平衡载流子产生的额外复合过程将会打破零偏压时器件与外界环境的辐射-吸收平衡，进而形成可以被探测器探测到的有效光子，图23和图24描述了电致发光的过程。
综上所知，当发光二极管两端未加载电压时，发光二极管内部电子和空穴达到动态热平衡，发光二极管与环境处于同一热稳态系统，此时发光二极管内部的电子和空穴复合形成的辐射到环境的光子与从环境中吸收的光子在任意单位时间内相等。首先对发光二极管的工作原理进行说明，发光二极管内部的载流子（电子和空穴）服从费米-狄拉克分布，严格意义上环境热也会影响发光二极管内的电子空穴对的动态平衡以产生复合，但由于发光二极管、探测器以及环境处于同一个热稳态系统，根据微观粒子的细致平衡理论（detailed balance theory），此时探测器是无法分辨来自于发光二极管和来自于环境的光子，判定为发光二极管无荧光产生。当加载正向电压后，加载电压引起的载流子注入对器件内部的热稳态载流子造成扰动，非平衡载流子注入与复合过程的加入使发光二极管内部的载流子形成一个新的平衡态（非热平衡态），此时器件辐射出的光子数将大于从环境中吸收的光子数，非平衡载流子便会形成电子空穴对的复合产生光子辐射出器件表面，即产生电致发光。在器件加载非常低正向偏压时，发光层中产生光子数量非常少，普通光电探测器难以探测到，需要器件产生的光子达到一定数量后才能使普通光电探测器产生响应。
四、发光二极管和光电探测器集成作为超快光耦合系统
图25所示为一种实施例中超短电脉冲驱动发光二极管的工作示意图，其中1为脉冲发生器，2为制备的钙钛矿发光二极管，3为高灵敏光电探测器，4为示波器，实施例中采用器件尺寸为5mm2的发光器件。
图26为基于图25工作示意图方案所测试的器件工作波形图，左图为器件工作在1MHz条件的波形图，右图为1MHz的单脉冲工作波形图，脉冲发生器产生的脉冲信号宽度为18 ns，电脉冲信号幅值为1V，约为带隙电压的70%，高灵敏探测器探测到的光信号宽度为15ns，将高灵敏探测器输出的信号连接示波器后，已经能够输出电脉冲信号，这表明发光二极管在非常窄的电脉冲下仍能够工作，且有光子信号输出，且器件的整体功耗非常低，约为每比特百皮焦耳，这表明了发光二极管工作在超低电压时实现超低功耗的潜力。
图27所示为一种可提高发光二极管工作速度的策略，基于高灵敏度探测器能够探测很弱信号，且通过上面分析，表明即使亚带隙电压下发光二极管依然在工作，那么光电探测器与发光二极管进行通信时，在保证光电探测器可响应条件下，可以通过减小发光二极管上的加载电压以提高通信速率及减少功耗。图中横轴为时间t，纵轴为电压幅值Voltage，V1为信号通信所需要达到的幅值，V2为驱动发光二极管工作后光电探测器可识别到信号的最低电平，Per1为以正常工作模式的周期，Per2为以低电平工作模式的周期，T1和T2时间差为上升沿，T4和T5时间差为下降沿，当改变最高电平后，T2和T3为减小的时间差，可大幅度提高通信速率。
图28是实现不同电压下器件的工作现象图。其中横轴为纳秒（单位为ns），左侧纵轴为触发信号Normalized trigger，右侧纵轴为输出信号Normalized EL output，当归一化后能够看出，低电压和高电压的触发脉宽变化不明显，但是输出信号的脉宽相对变化较大，随着触发电压的增加，输出信号的脉宽会增加，这说明低电压驱动时，能够更小的脉宽，也说明可以更高的工作频率。通过改变驱动脉冲边沿能够提升器件工作速度的原理：在发光二极管作为信号通信时受到通信速率的限制，是由于其响应时间随电平幅值呈现一定的关系，发光二极管的响应时间是当加上正向电流后开始发光和熄灭所延迟的时间，标志了发光二极管的反应速度，而响应时间主要取决于载流子的寿命、器件的结电容和电路阻抗。对于材料固定的发光二极管，可以通过进行信号调控以提高开关速度，原理说明如下：对于信号传输时，由于信号幅度的要求，默认为低电平为10%，高电平为90%，对于信号在由低电平达到高电平，需要的时间会相对较长，同时信号由高电平降低为低电平，仍需要同样的时间。而如果能够采用较低电压驱动，在保证探测器能够探测到信号的前提下，可大大降低信号上升沿和下降沿的时间，可以提高开关速度，从而提高工作频率，此方案可以应用在射频和光学器件中。
图29所示为一种基于亚带隙电压驱动发光二极管的超低功耗光耦合集成器件的方案，对于器件尺寸为5mm2的发光器件，幅值为1V左右，电流密度为10-5mA/cm2，总功耗为μW级别，可实现超低功耗系统中工作。其中Sin为信号输入端，Sin的信号幅值为亚光子电压，VCC为供电电源，R2与C1组成RC滤波电路，D1为发光二极管，R1为限流电阻，D2为高灵敏度光电探测器，T1和T2为高增益晶体管，R3和C2、R4和C3组成两级RC滤波电路，且R3、C2、R4组成π型滤波电路，Sout为信号输出。其元部件连接关系如下，电阻R1的1脚接信号输入端Sin，电阻R1的2脚接发光二极管D1的1脚，发光二极管D1的2脚接GND，电阻R2的1脚接VCC，电阻R2的2脚接电容C1的1脚、光电探测器D2的2脚、高增益晶体管T1的1脚、高增益晶体管T2的1脚，电容C1的2脚接GND，光电探测器D2的1脚接晶体管T1的2脚，晶体管T1的3脚接晶体管T2的2脚，晶体管T2的3脚接电阻R3的1脚，电阻R3的2脚接电容C2的1脚、电容R4的1脚，电阻R4的2脚接电容C3的1脚和信号输出端Sout，电容C2的2脚、电容C3的3脚接GND。
Claims (3)
1.一种亚带隙电压驱动的发光二极管的应用，其特征在于：发光材料在发光二极管上的应用，发光二极管在低于70%带隙电压的驱动电压下发光，特别是在低于50%带隙电压的驱动电压下发光。
2.权利要求1所述的亚带隙电压驱动的发光二极管的应用，其特征在于：发光材料包括钙钛矿材料、有机小分子发光材料、有机聚合物发光材料、III-V族半导体材料、II-VI族半导体材料、卤化物材料、氧化物材料、IV族材料、纳米晶体、二维材料、纳米线、稀土材料中的一种或者多种的组合。
3.权利要求1或2所述的亚带隙电压驱动的发光二极管的应用，其特征在于：所述的发光二极管在光耦合器件上的应用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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