[发明专利]亚带隙电压驱动的发光二极管的应用及光耦合器件

说明书

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。

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。