综述：将光发射与开关功能集成：发光晶体管技术进展综述

《Current Applied Physics》：Integrating light emission and switching: A review of progress in light-emitting transistors

光发射晶体管（LETs）是一种新兴的多功能光电子器件，整合了发光和开关功能，在下一代显示、透明电子和降低显示制造成本方面具有潜力。尽管已有显著进展，但当前效率仍低于有机LED，需通过量子点发射体、透明电极和掺杂策略等优化实现高效与可靠应用。

　　

沈泰允（Taeyun Shim）| 张元植（Woongsik Jang）| 布莱特·沃克（Bright Walker）| 朴裕贞（Yu Jung Park）| 徐正华（Jung Hwa Seo）

韩国首尔大学物理系，首尔，02504

摘要

发光二极管晶体管（LETs）作为一种新型的光电设备，正在崛起。它们将发光和开关功能集成在单一结构中，为下一代显示器、透明电子设备的发展提供了独特的机会，并降低了显示制造的成本和复杂性。尽管已经取得了显著进展，但在不同的材料策略和器件设计方面，LETs的进步仍然存在差异。这篇简短的综述通过整合近期发展，涵盖了低压混合架构、高色纯度量子点发射器、透明电极、界面掺杂以及双极电荷注入等领域，试图弥合这些差距。这种整合提供了一个统一的视角，有助于理解电荷注入机制在先进LETs中的重要作用。通过总结这些成就并展望未来发展方向，本文旨在为推动LETs研究向实际应用迈进提供理论基础和实践指导，包括简化显示器设计、集成光子学以及光神经形态计算等领域。

引言

发光二极管晶体管（LET）是一种多功能设备，它结合了薄膜晶体管（TFT）的开关能力和发光二极管（LED）的发光特性[[1], [2], [3], [4], [5]]。由于这种双重功能，LETs不仅在主动矩阵显示设备[6]中受到关注，也在光通信[2,7]和电驱动激光技术[8,9]中展现出巨大潜力。由于LETs无需单独的TFT背板，因此有可能大幅简化制造流程并显著降低发光显示器的成本[10]。尽管近年来取得了实质性进展，其电荷载流子迁移率和亮度性能已与传统半导体器件相当，但LETs的外部量子效率（EQE）对于白光发射仍低于14%[11]；虽然对于绿光发射，EQE已提升至21.2%[12]，但仍远低于有机发光二极管（OLED）的51.2%[13]。为了克服这些性能瓶颈，研究人员正在积极探索多种材料策略。例如，Kim等人（2024年）报道了一种基于GaN的LET，该器件采用深沟结构MIS栅极来解决栅极可控性和高关断电流问题。通过在沟槽内的薄非故意掺杂GaN层上实现栅极，他们实现了10^7的开关比，并将栅极漏电流降至约10^-11 A[14]。Huang等人（2025年）报道了一种混合平面驱动的LET，该器件结合了InZnGeO导电层和有机发光层，解决了局部线发射和稳定性问题。这种配置实现了稳定的区域发光，且开启电压仅为5.5 V[15]。此外，Zhang等人（2025年）在基于钙钛矿的LET中使用了溶液处理的高k值HfO_x电介质，以降低工作电压。这项研究使得红、绿、蓝全色发光在4 V的源漏电压和低于10 V的栅极电压下成为可能[16]。本文回顾了单极LETs的最新研究趋势，并讨论了其在先进显示技术中的应用前景。

LET中的电致发光机制基于能带理论，涉及电荷载流子的注入和复合过程。电子和空穴分别从源电极和漏电极注入到与电极接触的材料中的最低未占据分子轨道（LUMO）和最高占据分子轨道（HOMO），这些材料可以是发光材料本身，也可以是电子或空穴传输材料，具体取决于器件结构。在施加的栅极和漏极偏压驱动下，这些相反极性的载流子通过通道移动并在发光材料中相遇形成激子（即电子-空穴对），随后激子的辐射衰变产生光。

LETs大致可分为两类：一类是双极LETs，它们使用双极半导体材料，在单层结构中同时充当电荷传输层和发光层；另一类是单极LETs，通常采用三层架构，包括单极电荷传输层（n型或p型）、独立的发光层以及相反极性的电荷注入层（如图1所示）。在双极LETs中，光发射源自栅极偏压下形成的通道中电子和空穴复合产生的激子（图1(a)）。决定器件性能的关键因素包括：(i) 选择能够高效注入电子和空穴的源电极和漏电极；(ii) 选择既能支持电荷传输又能实现电致发光的有源层材料；(iii) 使用无陷阱的栅极电介质层[17,18]。虽然双极电荷传输有利于实现高效的电子-空穴复合，但双极有机半导体的电荷载流子迁移率通常低于单极半导体[19]，这显著限制了器件的工作速度、驱动电流和亮度。由于高迁移率的双极发光材料较为稀缺，因此需要探索替代的设计策略[20]。

单极LETs可根据电荷传输层的极性分为n型和p型。在有机LETs中，由于p型有机半导体的空穴迁移率相对较高[21]，大多数研究集中在p型器件上。与双极LETs相比，单极LETs通常具有更高的电荷载流子迁移率和优异的开关比（I_on/I_off），表明其具有更好的开关特性[21]。然而，由于只有多数载流子（电子或空穴）能有效参与电荷传输，少数载流子的注入受到限制，导致激子形成效率降低，从而降低了光发射效率。此外，单极LETs的光发射通常发生在靠近漏电极的区域（图1(b)）。为了克服这些限制，近期研究在源/漏电极和发光层之间引入了电荷注入层[21,22]，或探索了源极和漏极位于不同平面上的非平面电极配置[10,11,23]，从而促进少数载流子的注入并提高激子复合效率。虽然单独的传输层理论上可以增强注入效果，但在实际应用中通常避免使用，以防止多数载流子溢出。进一步增强多数载流子的注入会加剧载流子不平衡，使复合区向漏电极偏移并导致激子严重淬灭。考虑到制造挑战，单层结构被作为保持载流子平衡和结构完整性的标准配置。因此，单层材料必须同时满足多数载流子的传输需求和少数载流子的注入需求，从而保证材料的带隙和能级匹配至关重要。优化带隙对于最小化电子和空穴的注入障碍至关重要，确保单层材料能够在没有单独传输层的情况下实现高效的激子形成。由于出色的开关性能对下一代显示应用至关重要，本文重点讨论了单极LETs（目前其可扩展性和晶体管性能优于双极LETs）的最新研究趋势。

节选内容

用于低压运行的混合LETs

2003年，Hepp等人首次报道了基于四苯并蒽的有机薄膜晶体管的电致发光现象，开启了有机LETs的活跃研究[1]。2011年，Seo等人展示了采用共轭聚电解质poly[9′,9-bis[6′(N,N,N-trimethylammonium)hexyl]fluorene-alt-co-1,4-phenylene]与四(咪唑基)硼酸盐（简称PFN^+ Bim_4^-）作为电子注入材料的溶液处理有机LETs

用于高效混合LETs的钙钛矿量子点

通过开发混合LETs，在电荷载流子迁移率和亮度方面取得了显著进展。然而，作为发光性能关键指标的EQE仍然较低（约0.1%），远低于最先进的OLED（EQE超过51.2%[13]）。因此，人们继续致力于实现高效率的LETs。与OLED类似，LET的EQE定义为发射光子数与

用于透明显示的混合LETs

另一种提高发光效率的方法是最大化外耦合效率（η_out），即内部产生的光子中能够有效耦合或传输到设备外的比例。在单极LETs中，光发射主要发生在漏电极附近或下方，因为少数载流子在此区域被注入。因此，使用透明源电极和漏电极有利于高效提取光子

提高效率和可靠性的掺杂策略

为了实现LET设备的商业化，高可靠性和高效率都是必不可少的。为此，界面掺杂和电化学掺杂技术被证明是提高电荷注入和增强器件可靠性的有效方法。2023年，报道了一种采用两种不同聚（苯乙烯磺酸盐）（PSS）基层的混合LET：含有Li^+离子的锂聚（苯乙烯磺酸盐）（Li:PSS）和铜(II)聚（苯乙烯磺酸盐）

LETs在光电神经形态计算中的应用

随着人类集成电子设备和人工智能（AI）的快速发展，LET技术的应用范围已超越了传统显示器和光电应用。最近的研究探索了LET在光电神经形态计算系统中的潜力，其中电信号和光信号被协同用于信息处理[31,32]。LETs能够在单一结构中同时实现电荷传输和光发射

结论

总之，LETs作为一种多功能光电设备，将发光和电荷传输集成在单一结构中。过去二十年里，LET技术取得了显著进展，包括开发了混合无机-有机架构、量子点发射材料、透明电极设计以及界面或电化学掺杂策略。这些创新使LETs的性能达到了与传统器件相当的水平

手稿准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在撰写本文时，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来改进语法、清晰度和可读性。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了首尔大学基金的支持（2023年），以支持徐正华（Jung Hwa Seo）的研究。