Light: 黃維&王建浦|頂發光微腔結構實現高效率鈣鈦礦發光二極體

金屬滷化物鈣鈦礦材料具有可溶液法製備、高螢光量子效率、高色純度等特點。近年來，鈣鈦礦發光二極體（PeLED）的器件效率提升迅速，成為下一代照明與顯示技術的有力競爭者。然而，由於鈣鈦礦材料較大的折射率，導致大量的光子被限制在器件內部，阻礙了PeLED效率的進一步提升。

近日，南京工業大學黃維院士和王建浦教授團隊在國際頂尖期刊Nature子刊 Light: Science & Applications 發表論文，他們提出通過構築光學微腔，製備頂發射PeLED，從而大幅度提升器件效率的新思路。光學微腔一方面能夠通過Purcell效應提高輻射複合速率，提升材料的螢光量子效率；另一方面，優化的微腔結構可以使更多光子沿著微腔的光軸出射，從而提高器件的出光耦合效率。

現代信息社會的快速發展，對發光顯示技術提出了高效率、高亮度、柔性可穿戴等要求。傳統的無機發光二極體通常在單晶襯底上通過外延法生長製備，難以獲得大面積柔性器件。近年來快速商業化的有機發光二極體能夠通過溶液法、蒸鍍法製備大面積柔性器件，但有機材料本身的激子特性使其難以在大電流下實現高亮度和高效率。

鈣鈦礦材料兼具無機半導體高導電性和有機材料可溶液法製備的優點，在下一代顯示領域極具競爭力。然而，近年來底發光PeLED的效率逐漸達到瓶頸，效率提升速度放緩。

發光二極體的效率是由螢光量子效率、載流子注入效率、光耦合效率共同決定的。平板型底發光器件的光耦合效率通常為20%左右，其發光層發出的光子大部分被限制在了器件內部，無法從正面出射。

另一方面，將發光器件應用於顯示時，還需加上不透光的控制電路，因此顯示面板上一部分區域無法發光，也就是產業化過程中面臨的開口率的問題。

設計具有微腔結構的頂發光器件，能夠有效地同時解決以上兩個問題。這是由於微腔結構能夠提高器件的出光耦合效率，而頂發光能夠解決顯示面板的開口率問題。

圖1 頂發光器件和底發光器件

構築基於光學微腔的高效率PeLED需要解決三個難題：1）製備具有高螢光量子效率的鈣鈦礦薄膜；2）製備高質量光學微腔；3）實現器件內部平衡的載流子注入。

在鈣鈦礦薄膜的選擇上，作者選擇了具有多量子阱（MQW）結構的準二維鈣鈦礦。其優點在於，通過調控大尺寸陽離子和小尺寸陽離子的組分，能夠精確地調控鈣鈦礦的結晶性、形貌以及薄膜內部量子阱的分布。基於此思路，作者獲得了緻密的MQW鈣鈦礦薄膜，並將其螢光量子效率提升到了78%。

圖2 MQW-PeLED的能級結構及鈣鈦礦層形貌

構築高質量的光學微腔需要在器件的兩端分別製備全反射和半反射的電極。為此，作者在器件底端蒸鍍了100 nm的金電極作為全反射層，並且優化了頂端半反射金電極的厚度，將器件的光耦合效率從20%提升到了30%。

要實現增強型的微腔效應，還需將微腔的光學長度設計到發光半波長的奇數倍。作者發現，通過調控電子傳輸層ZnO和空穴傳輸層TFB的厚度，可以有效地調控微腔的光學長度。值得注意的是，優化ZnO、TFB厚度的同時，還要考慮發光層在微腔內部所處的位置是否位於微腔效應增強的位置。

此外，高性能PeLED的實現還依賴於器件內部載流子的平衡注入。作者前期的研究表明，MQW鈣鈦礦層內部存在快速的（皮秒量級）能量轉移，從而使得發光區域主要位於與TFB的交界處。考慮到ZnO和TFB都具有較高的載流子遷移率，因此ZnO的厚度通常低於TFB的厚度。

圖3 微腔器件內部不同位置的增強效果及發光區域

基於以上對鈣鈦礦發光層、器件光學結構及載流子注入/輸運方面的優化，作者將微腔結構頂發射PeLED的外量子效率提升至20.2%。該器件表現出顯著的微腔效應，不同於底發光器件的朗博體發光，頂發射微腔PeLED在正面的出光顯著增強，從而大幅度提升了光耦合效率。

圖4 微腔器件外量子效率及發光輪廓

較低的光耦合效率是限制平板發光的重要原因之一，該工作將頂發射微腔結構應用於PeLED，實現了超過20%的外量子效率，是目前頂發射PeLED的效率最高值。該工作的發表，使鈣鈦礦這種明星材料在LED實際應用方面更進了一步。此外，高質量微腔的製備及其器件內整合，也對電泵浦鈣鈦礦雷射器的實現具有重要的借鑑意義。

文章信息：

該成果以「 Microcavity top-emission perovskite light-emitting diodes 」為題發表在 Light: Science & Applications 。

本文共同第一作者為南京工業大學先進材料研究院博士生繆炎峰、程露、鄒偉，通訊作者為王建浦教授、黃維院士、彭其明副研究員。

論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41377-020-0328-6

文章來源：中科院長春光機所 Light學術出版中心