量子点发光场效应晶体管器件的研究进展

目前，基于场效应晶体管和量子点材料的技术已经广泛应用于显示领域，在液晶显示及主动电致发光领域都有着重要应用。而将场效应晶体管的开关控制能力与量子点发光二极管的电致发光能力相结合所设计出的新型器件：量子点发光场效应晶体管(QLEFET)因其具有特殊的光电性能而被认为是一种很有前途的低成本显示技术，在像素显示，光通信器件及电泵浦激光器等领域都具有潜在应用前景。
QLEFET是一个三端器件，一个底栅顶接触型器件的基本结构如图1所示：

图1. QLEFET器件结构及原理示意图[1]

QLEFET器件导电通道可以传输载流子，由源漏电极分别注入的电子和空穴可以在导电通道复合发光，而通过栅极偏压可以实现对器件的光出射的开关及调节能力。因此，此类器件可以用作有源矩阵电致发光像素，与传统电路相比，可以减少开关管数量并降低电路复杂性。
由于有可以通过栅极偏压实现电子、空穴注入调节及可控的激子复合发光区位置等特殊能力[2]，QLEFET器件可以作为研究半导体器件电荷注入及传输，复合，激子迁移和淬灭等等物理机制的优良研究平台。另外，更为直接的应用是凭借其对载流子的调控能力有效改善电致发光器件的载流子注入平衡，从而抑制淬灭的产生，实现高性能的电致发光[1]。

图2. 栅极偏压对复合发光区域调节示意图[2]

在传统QLED器件中，载流子注入传输层后只需移动几十纳米就能与对向载流子相遇并复合发光，而在QLEFET器件中载流子需要横向传输微米级的距离才能复合发光，距离较长可以有效改善与电极距离抑制激子的金属接触淬灭和电场诱导淬灭，提高发光效率和亮度，但也对作为导电通道材料的载流子迁移率，能带特性和电致发光性能有着更高要求。
而电致发光性能好和载流子迁移率高这两种特性往往难以同时满足，所以研究人员引入了多层活性层结构，使传输层和发光层分立。
如华南理工大学的何鹏辉等在2018年报道了具有有机/无机杂化传输层的QLEFET器件，利用溶液法制备钪掺杂的氧化铟薄膜作为电子传输层，Sc:In2O3 层电子迁移率高，易于溶液制备，且通过调节Sc掺杂浓度，可以有效抑制氧空位，改善电稳定性，调控器件阈值电压，并调节Sc:In2O3的费米能级，使之与量子点发光层的LUMO匹配，有利于电子注入[3]。

图3. 器件示意图及能级结构图[3]

凭借Sc的掺杂，Sc:In2O3 层电子迁移率稳定在0.8 cm²/V•s，整体器件也获得了良好的性能表现，实现了13400 cd/m2的最大亮度和最大8.7 % 的外量子效率(EQE)，开关比为10⁵，亮度调制达到10⁶。

图4. 电子传输层分别为Sc:In2O3与In2O3的QLEFET器件外量子效率[3]

图5. 电子传输层分别为Sc:In2O3与In2O3的QLEFET器件的(a)电传输特性和(b)光传输特性曲线(VDS = 50V, VGS = -30~50V) [3]

也有文章指出，相比于有机半导体中常见的有机电子传输材料较低的迁移率，与量子点发光层匹配的有机无机杂化的载流子注入及传输层可选择的范围更加广泛，可以实现高迁移率，进而实现电子、空穴的高效注入。结合栅极偏压对载流子注入的调控能力，可以在大注入情况下实现载流子平衡，这也是QLEFET对于OLEFET的优势之处，加之量子点材料和无机材料的稳定性优势，在电致激光器方面也有广泛的应用前景[1]。
依照其他类似器件的研究进程可知，QLEFET器件的性能依然有很大的提升空间。Capelli等制备了具有p-chanel/emitter/n-channel三层活性层结构的OLEFET器件实现了5 %的EQE，比类似结构的OLED器件效率高100倍左右，证明了发光场效应晶体管可以实现比发光二极管更高的效率[4]。具体到QLEFET的研究，除了进一步优化活性层材料与结构提高膜层迁移率，改善载流子注入性能外，还可以采用非对称电极等方法。通过电极的非对称布置，使电子注入不再通过空穴传输材料，进一步改善载流子的注入与传输[5]。

图6. 一种有非对称电极的OLEFET器件结构[5]

撰稿：宿斯凯

资料来源：
[1]. Zhang, C. et al. Organic Light-Emitting Transistors:Materials, Device Configurations, and Operations. Small 2016, 12,1252−1294. (2016)
[2]. B. B. Y. et al. Control of Efficiency, Brightness, and Recombination Zone in Light‐Emitting Field Effect Transistors, Adv.Mater. 24, 1171-1176. (2012)
[3]. He, P. et al. High-Performance, Solution-Processed Quantum Dot Light-Emitting Field-Effect Transistors with a Scandium-Incorporated Indium Oxide Semiconductor, ACS nano 12, 4624 –4629 (2018).
[4]. Capelli, R. et al. Organic light-emitting transistors with an efficiency that outperforms the equivalent light-emitting diodes. Nat. Mater. 9, 496–503 (2010).
[5]. M. Ullah, et al. Simultaneous enhancement of brightness, efficiency, and switching in RGB organic light emitting transistors, Adv. Mater. 25, 6213-6219 (2013),