解读-具有改进的亮度和颜色可调性的钙钛矿-氮化镓串联发光二极管

具有不同亚像素的串联结构有望用于超高分辨率全彩显示器中基于钙钛矿的多色电致发光(EL)器件；然而，考虑到蓝色钙钛矿发光二极管(PeLED)的低亮度和稳定性，实现出色的与亮度和颜色无关的可调性仍然是一个挑战。此外，用于多色电致发光像素的红色、绿色和蓝色PeLED的成功集成同样是一项重大挑战。

[成果掠影]

华南理工大学李宗涛教授为第一作者，李家声博士后为通讯作者，使用明亮稳定的蓝色氮化镓(GaN)LED与绿色MAPbBr₃ PeLED垂直集成，成功实现了亮度和颜色独立可调的Pe-GaN串联LED。本工作发现电子和光子共激发(EPCE)效应抑制了PeLED的辐射复合和电流注入，导致直流调制下的亮度和电流效率下降。因此，将脉宽调制引入串联器件，EPCE效应可忽略不计，平均混合电流效率显着提高了139.5%，最终实现了创纪录的可调亮度用于基于钙钛矿的多色 LED。报道的出色的独立可调性可以成为基于钙钛矿的多色EL器件的起点，从而能够与成熟的半导体技术相结合，以促进其在具有超高分辨率的先进显示应用中的商业化。相关论文以题为：“Perovskite-Gallium Nitride Tandem Light-Emitting Diodes with Improved Luminance and Color Tunability”发表在Advanced Science上。

[核心创新点]

• 本工作使用明亮稳定的蓝色(GaN)LED与绿色MAPbBr₃PeLED垂直集成，成功实现了亮度和颜色独立可调的Pe-GaN串联LED。
• 本工作通过将脉宽调制引入串联器件，平均混合电流效率显着提高了5%，最终实现了创纪录的可调亮度用于基于钙钛矿的多色LED。
• 本工作所报道的优异的独立可调谐性可以作为钙钛矿基多色EL器件的起点，使其与成熟的半导体技术结合起来，便于其在高分辨率的高级显示应用中商业化。

 [数据概览]

• 设备结构

蓝色GaNLEDs由于其优异的稳定性、色纯度和亮度，在商业化方面取得了显著的成功，本研究采用图形化蓝宝石衬底(PSS)作为底层LED，按照标准商业化工艺制备。由于GaNLED具有优异的物理和化学稳定性，它们还可以用作溶液处理绿色PeLED单元的基板，以获得Pe-GaN串联 LED。所提出的串联LED的结构如图1a所示，其中GaNLED和PeLED单元通过ITO-ICE作为共阳极连接，其中Cr/Al/Ti/Pt/Au和LiF/Al是单独的阴极 分别用于GaNLED和PeLED。图 1b 中显示的器件的横截面图像证实了GaNLED和PeLED单元的垂直集成，其中p-GaN的光滑外延表面也有利于上部溶液处理的钙钛矿层。该器件结构具有并联连接，可以分别由两个不同的电源驱动。需要注意的是，GaNLED和PeLED单元分别具有纯蓝色（0.135,0.064）和绿色（0.232,0.744）色坐标（CIE-1931）（图1d），在实现亮度和颜色无关的可调性后，能够满足宽色域的显示需求。

图1. Pe-GaN串联LED的器件结构©2022 The Authors

• DC模式下的色彩可调性

考虑到直流模式是驱动LED器件最通用和最简单的方法，首先在直流模式下通过将GaNLED的电压（V_GaN）固定为一定值和扫描电压PeLED (V_Pe)从3到11 V。具有不同固定VGaN值的串联器件的CCD调谐范围如图2a所示，对应于由于两个单元的稳定发射光谱导致的线性色坐标变化。比率随着V_GaN的增加而降低，CCD的上限蓝移，如图2a所示。CCD的下限取决于GaNLED的EL和PeLED的光致发光(PL)的组合（图2b中所示的EPCE状态），表明随着V_GaN值的增加而发生绿移，这使得CCD的下限不同 ，这些结果归因于PeLED单元的增强的PL绿色强度。为了进一步研究PeLED对CCD调谐范围的PL效应，图2c显示了在不同电流密度下，有和没有PeLED的GaNLED的亮度。随着GaNLED的电流密度增加，没有PeLED的GaNLED的亮度(L_w/o-Pe)继续增加，而 PeLED(L_w-Pe)的亮度表现出明显的下降。本工作发现L_G表现出与L_w-Pe相同的趋势，这表明L_w-Pe的下降源于钙钛矿层的PL强度降低，这可能与超强短波长激发下钙钛矿的离子交换形成陷阱态和晶体畸变有关。

图2. 直流模式下Pe-GaN串联LED的颜色可调性©2022 The Authors

• DC模式下的亮度可调性和EPCE效应

本工作通过改变V_GaN和V_Pe，研究了不同发光颜色下Pe-GaN串联LED在DC模式下的亮度可调性。图3a显示了具有不同V_GaN和V_Pe值的Pe-GaN串联LED的混合亮度。当单独驱动PeLED(V_GaN=0 V)以实现纯绿色时，在10.4 V的VPe下可实现18482 cd m^-2的最大混合亮度(HL_max)。这种现象表明，GaNLED单元的蓝光亮度增强会对PeLED的亮度产生负面影响，导致HL_max降低。同样，图3b表明GaNLED的亮度越高，Pe-GaN串联LED的混合CE就越低。例如，仅驱动PeLED单元时，最大CE和EQE分别为39.7 cd A^-1和11.4 %，而同时驱动VGaN为2.7 V的GaNLED单元时，最大CE和EQE分别降至24.4 cd A^-1和7%。HL_max和CE下降的一个可能原因是辐射复合和电流注入受到EPCE效应的抑制，这在之前对只有一个复合中心的钙钛矿基多色EL器件的研究中很少考虑。结果证实，在PL过程中，在光诱导载流子的情况下，钙钛矿层的注入势垒增加，抑制了载流子注入钙钛矿层，从而降低了PeLED单元的电流密度和绿光亮度。换言之，EPCE效应不仅加强了钙钛矿的非辐射复合，而且为电荷注入设置了障碍，这对PeLED单元和Pe-GaN串联LED的整体性能都是有害的。

图3. 直流模式下Pe-GaN串联LED的亮度可调性©2022 The Authors

• PWM模式下的亮度和颜色可调性

考虑到同时驱动GaNLED和PeLED单元时EPCE效应会降低器件性能，在此，本工作提出了一种简单有效的策略来抑制Pe-GaN串联LED的EPCE效应，即通过调制方波电压交替驱动各单元的PWM模式来避免EPCE效应。在本工作的工作中，通过固定两个单元的电压幅度来精确调制PWM模式下Pe-GaN串联LED的亮度和发光颜色。图4a显示了PWM模式下不同DPe值的混合亮度。当DPe为零时，只开启GaNLED单元，HLmax为20298 cd m^-2。然而，随着DPe的增加，HLmax降低到最小值13061 cd m^-2。这些结果表明，随着DPe的增加，PeLED单元的增强亮度不足以补偿GaNLED单元亮度的降低，尽管两个单元的最大亮度相近(≈20000 cd m^-2)。为了更好地理解这一现象，不同占空比的PeLED和GaNLED单元的归一化亮度如图4b所示。当DPe小于50 %时，PeLED单元的亮度随着DPe的增加呈现非线性增加，这可以归因于PeLED单元中传输层载流子迁移率相对较低，限制了器件在较短外加电压下的响应速度。在图4d中还给出了串联器件在PWM模式下的CCD调谐范围，体现了良好的调色能力和高色域。

在实际显示应用中，亮度和CCD值应独立可调，以实现对高动态范围显示等先进显示标准的良好可调性。为了证实本工作的串联器件具有很好的可调性，本工作对它们在PWM和DC模式下不同CCD值下的HL_max进行了表征，如图5a所示。本工作的器件保持了一个大的混合亮度(> 14000 cd m^-2)为任意可调谐颜色，实现了记录可调谐亮度的钙钛矿基多色LED如图5c所示。虽然这样的混合亮度仍然低于其他串联器件，即串联量子点LED，但本工作提出的Pe-GaN串联LED在钙钛矿基多色EL器件类中首次成功实现了从蓝到绿任意颜色下的记录亮度调谐范围。

图4. PWM模式下Pe-GaN串联LED的亮度和颜色可调性©2022 The Authors

图5. Pe-GaN串联LED在最大混合亮度(HL_max)状态下的亮度和颜色的独立可调性©2022 The Authors

[成果启示]

 总之，本工作开发了Pe-GaN串联LED，实现了优异的亮度和颜色独立可调。将绿色发射极MAPbBr₃PeLED沉积在GaNLED衬底上，作为蓝光发射极，以ITO ICE作为共阳极，实现亮度和颜色独立可调的平行连接。本工作发现在直流模式下，复杂的EL(GaNLED/PeLED)和PL(PeLED)过程同时发生在串联器件中，导致EPCE效应抑制了PeLED的辐射复合和电流注入。随着EPCE引起的能量损失严重，与单独驱动时相比，直流模式下的混合亮度和CE明显降低。因此，在Pe- GaN串联LED中引入PWM模式，EPCE效应可以忽略不计。虽然由于PeLED响应速度慢，它们表现出边缘退化的混合亮度，过渡颜色为蓝色，但平均HL_max (16631 cd m^-2)和混合CE (9.1cd A^-1)分别为19.8%和139.5%，大于直流模式下的值。因此，对于从蓝到绿任意颜色的Pe-GaN串联LED，实现了记录的宽范围可调亮度和显著的效率提升。本工作认为，这种优异的亮度和颜色无关的可调性可以作为钙钛矿基多色EL器件的出发点，使其能够与成熟的半导体技术结合，以促进其在高分辨率高级显示应用中的商业化。

第一作者：李宗涛

通讯作者：李家声

通讯单位：华南理工大学

论文doi：

https://doi.org/10.1002/advs.202201844