解讀-具有改進的華南亮度和顏色可調性的鈣鈦礦-氮化鎵串聯發光二極管
具有不同亞像素的串聯結構有望用于超高分辨率全彩顯示器中基于鈣鈦礦的多色電致發光(EL)器件；然而，考慮到藍色鈣鈦礦發光二極管(PeLED)的理工低亮度和穩定性，實現出色的大學的亮度和與亮度和顏色無關的可調性仍然是一個挑戰。此外，最新用于多色電致發光像素的改進鈣鈦紅色、綠色和藍色PeLED的顏色成功集成同樣是一項重大挑戰。
[成果掠影]
華南理工大學李宗濤教授為第一作者，可調礦李家聲博士后為通訊作者，華南使用明亮穩定的理工藍色氮化鎵(GaN)LED與綠色MAPbBr3?PeLED垂直集成，成功實現了亮度和顏色獨立可調的大學的亮度和Pe-GaN串聯LED。本工作發現電子和光子共激發(EPCE)效應抑制了PeLED的最新輻射復合和電流注入，導致直流調制下的改進鈣鈦亮度和電流效率下降。因此，顏色將脈寬調制引入串聯器件，可調礦EPCE效應可忽略不計，華南平均混合電流效率顯著提高了139.5%，最終實現了創紀錄的可調亮度用于基于鈣鈦礦的多色 LED。報道的出色的獨立可調性可以成為基于鈣鈦礦的多色EL器件的起點，從而能夠與成熟的半導體技術相結合，以促進其在具有超高分辨率的先進顯示應用中的商業化。相關論文以題為：“Perovskite-Gallium Nitride Tandem Light-Emitting Diodes with Improved Luminance and Color Tunability”發表在Advanced Science上。
[核心創新點]
- 本工作使用明亮穩定的藍色(GaN)LED與綠色MAPbBr3PeLED垂直集成，成功實現了亮度和顏色獨立可調的Pe-GaN串聯LED。
- 本工作通過將脈寬調制引入串聯器件，平均混合電流效率顯著提高了5%，最終實現了創紀錄的可調亮度用于基于鈣鈦礦的多色LED。
- 本工作所報道的優異的獨立可調諧性可以作為鈣鈦礦基多色EL器件的起點，使其與成熟的半導體技術結合起來，便于其在高分辨率的高級顯示應用中商業化。
?[數據概覽]
- 設備結構
藍色GaNLEDs由于其優異的穩定性、色純度和亮度，在商業化方面取得了顯著的成功，本研究采用圖形化藍寶石襯底(PSS)作為底層LED，按照標準商業化工藝制備。由于GaNLED具有優異的物理和化學穩定性，它們還可以用作溶液處理綠色PeLED單元的基板，以獲得Pe-GaN串聯 LED。所提出的串聯LED的結構如圖1a所示，其中GaNLED和PeLED單元通過ITO-ICE作為共陽極連接，其中Cr/Al/Ti/Pt/Au和LiF/Al是單獨的陰極 分別用于GaNLED和PeLED。圖 1b 中顯示的器件的橫截面圖像證實了GaNLED和PeLED單元的垂直集成，其中p-GaN的光滑外延表面也有利于上部溶液處理的鈣鈦礦層。該器件結構具有并聯連接，可以分別由兩個不同的電源驅動。需要注意的是，GaNLED和PeLED單元分別具有純藍色（0.135,0.064）和綠色（0.232,0.744）色坐標（CIE-1931）（圖1d），在實現亮度和顏色無關的可調性后，能夠滿足寬色域的顯示需求。
圖1. Pe-GaN串聯LED的器件結構?2022 The Authors
- DC模式下的色彩可調性
考慮到直流模式是驅動LED器件最通用和最簡單的方法，首先在直流模式下通過將GaNLED的電壓（VGaN）固定為一定值和掃描電壓PeLED (VPe)從3到11 V。具有不同固定VGaN值的串聯器件的CCD調諧范圍如圖2a所示，對應于由于兩個單元的穩定發射光譜導致的線性色坐標變化。比率隨著VGaN的增加而降低，CCD的上限藍移，如圖2a所示。CCD的下限取決于GaNLED的EL和PeLED的光致發光(PL)的組合（圖2b中所示的EPCE狀態），表明隨著VGaN值的增加而發生綠移，這使得CCD的下限不同 ，這些結果歸因于PeLED單元的增強的PL綠色強度。為了進一步研究PeLED對CCD調諧范圍的PL效應，圖2c顯示了在不同電流密度下，有和沒有PeLED的GaNLED的亮度。隨著GaNLED的電流密度增加，沒有PeLED的GaNLED的亮度(Lw/o-Pe)繼續增加，而 PeLED(Lw-Pe)的亮度表現出明顯的下降。本工作發現LG表現出與Lw-Pe相同的趨勢，這表明Lw-Pe的下降源于鈣鈦礦層的PL強度降低，這可能與超強短波長激發下鈣鈦礦的離子交換形成陷阱態和晶體畸變有關。
圖2. 直流模式下Pe-GaN串聯LED的顏色可調性?2022 The Authors
- DC模式下的亮度可調性和EPCE效應
本工作通過改變VGaN和VPe，研究了不同發光顏色下Pe-GaN串聯LED在DC模式下的亮度可調性。圖3a顯示了具有不同VGaN和VPe值的Pe-GaN串聯LED的混合亮度。當單獨驅動PeLED(VGaN=0 V)以實現純綠色時，在10.4 V的VPe下可實現18482 cd m-2的最大混合亮度(HLmax)。這種現象表明，GaNLED單元的藍光亮度增強會對PeLED的亮度產生負面影響，導致HLmax降低。同樣，圖3b表明GaNLED的亮度越高，Pe-GaN串聯LED的混合CE就越低。例如，僅驅動PeLED單元時，最大CE和EQE分別為39.7 cd A-1和11.4 %，而同時驅動VGaN為2.7 V的GaNLED單元時，最大CE和EQE分別降至24.4 cd A-1和7%。HLmax和CE下降的一個可能原因是輻射復合和電流注入受到EPCE效應的抑制，這在之前對只有一個復合中心的鈣鈦礦基多色EL器件的研究中很少考慮。結果證實，在PL過程中，在光誘導載流子的情況下，鈣鈦礦層的注入勢壘增加，抑制了載流子注入鈣鈦礦層，從而降低了PeLED單元的電流密度和綠光亮度。換言之，EPCE效應不僅加強了鈣鈦礦的非輻射復合，而且為電荷注入設置了障礙，這對PeLED單元和Pe-GaN串聯LED的整體性能都是有害的。
圖3. 直流模式下Pe-GaN串聯LED的亮度可調性?2022 The Authors
- PWM模式下的亮度和顏色可調性
考慮到同時驅動GaNLED和PeLED單元時EPCE效應會降低器件性能，在此，本工作提出了一種簡單有效的策略來抑制Pe-GaN串聯LED的EPCE效應，即通過調制方波電壓交替驅動各單元的PWM模式來避免EPCE效應。在本工作的工作中，通過固定兩個單元的電壓幅度來精確調制PWM模式下Pe-GaN串聯LED的亮度和發光顏色。圖4a顯示了PWM模式下不同DPe值的混合亮度。當DPe為零時，只開啟GaNLED單元，HLmax為20298 cd m-2。然而，隨著DPe的增加，HLmax降低到最小值13061?cd m-2。這些結果表明，隨著DPe的增加，PeLED單元的增強亮度不足以補償GaNLED單元亮度的降低，盡管兩個單元的最大亮度相近(≈20000 cd m-2)。為了更好地理解這一現象，不同占空比的PeLED和GaNLED單元的歸一化亮度如圖4b所示。當DPe小于50 %時，PeLED單元的亮度隨著DPe的增加呈現非線性增加，這可以歸因于PeLED單元中傳輸層載流子遷移率相對較低，限制了器件在較短外加電壓下的響應速度。在圖4d中還給出了串聯器件在PWM模式下的CCD調諧范圍，體現了良好的調色能力和高色域。
在實際顯示應用中，亮度和CCD值應獨立可調，以實現對高動態范圍顯示等先進顯示標準的良好可調性。為了證實本工作的串聯器件具有很好的可調性，本工作對它們在PWM和DC模式下不同CCD值下的HLmax進行了表征，如圖5a所示。本工作的器件保持了一個大的混合亮度(> 14000 cd m-2)為任意可調諧顏色，實現了記錄可調諧亮度的鈣鈦礦基多色LED如圖5c所示。雖然這樣的混合亮度仍然低于其他串聯器件，即串聯量子點LED，但本工作提出的Pe-GaN串聯LED在鈣鈦礦基多色EL器件類中首次成功實現了從藍到綠任意顏色下的記錄亮度調諧范圍。
圖4. PWM模式下Pe-GaN串聯LED的亮度和顏色可調性?2022 The Authors
圖5. Pe-GaN串聯LED在最大混合亮度(HLmax)狀態下的亮度和顏色的獨立可調性?2022 The Authors
[成果啟示]
?總之，本工作開發了Pe-GaN串聯LED，實現了優異的亮度和顏色獨立可調。將綠色發射極MAPbBr3PeLED沉積在GaNLED襯底上，作為藍光發射極，以ITO ICE作為共陽極，實現亮度和顏色獨立可調的平行連接。本工作發現在直流模式下，復雜的EL(GaNLED/PeLED)和PL(PeLED)過程同時發生在串聯器件中，導致EPCE效應抑制了PeLED的輻射復合和電流注入。隨著EPCE引起的能量損失嚴重，與單獨驅動時相比，直流模式下的混合亮度和CE明顯降低。因此，在Pe- GaN串聯LED中引入PWM模式，EPCE效應可以忽略不計。雖然由于PeLED響應速度慢，它們表現出邊緣退化的混合亮度，過渡顏色為藍色，但平均HLmax (16631 cd m-2)和混合CE?(9.1cd A-1)分別為19.8%和139.5%，大于直流模式下的值。因此，對于從藍到綠任意顏色的Pe-GaN串聯LED，實現了記錄的寬范圍可調亮度和顯著的效率提升。本工作認為，這種優異的亮度和顏色無關的可調性可以作為鈣鈦礦基多色EL器件的出發點，使其能夠與成熟的半導體技術結合，以促進其在高分辨率高級顯示應用中的商業化。
第一作者：李宗濤
通訊作者：李家聲
通訊單位：華南理工大學
論文doi：
https://doi.org/10.1002/advs.202201844
