量子点LED用于可见光通信的调制带宽研究进展

肖 华， 陈万里， 肖翔天， 王 锐， 王 恺*

(1． 广东海洋大学 电子与信息工程学院, 广东 湛江 524000；2． 广东海洋大学深圳研究院 科技发展中心, 广东 深圳 518120；3． 南方科技大学工学院 电子与电气工程系, 广东 深圳 518055)

1 引 言

可见光通信(Visible light communication,VLC)作为无线通信领域中与射频通信互补的一种空间通信技术，具有无需频谱认证、抗电磁干扰、安全性高、节能、通信设备成本较低等优点，并已在室内定位[1]、水下探测[2]、交通运输[3-4]等领域广泛展开研究。VLC中常用的调制方法有开关键控(OOK)[5-6]、正交频分复用(OFDM)[7-8]、离散多音调制(DMT)[9]、波分复用(WDM)[10]、脉冲振幅调制(PAM)[11]等。

由于通信调制频率远高于人眼对半导体光源闪烁的感知阈值，半导体光源可以同时实现照明和通信功能。光源调制特性的研究对实现照明和通信两用的白光光源有重要意义。有关不同光转换材料和通信光源的调制速度及响应时间，张屹林等做了详细的总结与分析[12]。根据发光机理不同，具备调制特性的光源可分为有机和无机光源。其中，大功率发光二极管(LED)、Micro-LED等作为用于VLC的无机光源，具有量子效率高、尺寸小、稳定性好、响应速度快等优点，常用于激发光转换材料发光[13]。大功率蓝光LED带宽约3.5～4 MHz左右，Micro-LED的响应时间低至0.2 ns，带宽约几百MHz[14-16]。为满足白光照明的要求，大功率蓝光LED常用荧光粉作为光转换材料。目前报道的采用大功率蓝光LED激发的方式测试所得的荧光粉带宽约从115 kHz到1 MHz不等[17-18]；除无机光源外，有机LED(OLED)和聚合物LED(PLED)被提出用作VLC的信号光源。与传统无机LED相比，OLED与PLED具有溶液加工特性的优势，可用于制备柔性面光源；然而，有机发光材料较长的荧光寿命(μm量级)限制了其在高频下的调制速度。多个研究表明，PLED和OLED的带宽仅限于几百kHz[19-21]。通过预均衡[22]、后均衡[23]、模拟均衡器[24]等电路设计方法可以有效提高PLED和OLED的调制速度。对此，迟楠、陈雄斌等课题组做了大量研究。

与有机染料类似，胶体量子点也满足溶液加工的要求；然而，量子点发光具有更短的响应时间、更高的色纯度、波长连续可调性、以及其可见光和近红外(NIR)体系材料对水氧的稳定性[25]。从20世纪80年代末“量子点”概念的提出开始，量子点技术发展至今，已广泛应用于新型柔性显示器件、照明光源、太阳能电池、生物检测等领域[26]。其中，CdSe量子点的响应时间可低至10 ns，量子产率几乎达到100%，荧光半峰宽(FWHM)可达到20～30 nm[27]。CdSe量子点LED(QLED)的亮度可达105～106cd/m2，高于固态照明中103～104cd/m2的标准以及显示领域中102～103cd/m2的标准，可用于实现宽色域、快速响应、高稳定性的光源[28]。

QLED作为一种固态光源器件，已在显示、照明、通信等多个领域展开研究。其中，有关QLED的照明性能已经有较多研究，但是结合QLED照明和调制特性的研究却较少报道。本文从量子点的光转换机制出发，对CdSe QLED发光特性和调制带宽的关系进行了详细研究，总结与分析了QLED光源在VLC中的应用前景、面临的困境以及解决方案。

2 QLED发光和调制机理

2.1 QLED发光机理

根据发光机理不同，QLED分为光致发光QLED(QLEDP)和电致发光QLED(QLEDE)。其中，QLEDP通常采用蓝光LED激发量子点发出长波长光(如红光和黄光)。以YAG∶Ce3+荧光粉与CdSe/ZnS量子点分别作为黄色和红色光转换材料为例，其QLEDP器件结构及其对应单色光发射光谱如图1(a)、(b)所示[29]。对QLEDP来说，当电子吸收光能跃迁到导带时，价带相应产生空穴。在量子点内部，由于电子与空穴之间存在库仑力，电子与空穴以激子的形式结合。其中的电子在受到外界微扰后以一定几率回到基态，并与空穴结合，发射光能。

相比QLEDP，QLEDE的特点包括可使用溶液加工和柔性打印方式制作以及采用电注入方式直接进行光电转换等。以文献[30]中采用的QLEDE的器件结构为例，图1(c)、(d)描述了CdSe/ZnS QLEDE的器件结构和能级结构示意图。由于QLEDE中的发光过程包括载流子注入、传输、复合和发光，典型的QLEDE由三文治结构组成。电子和空穴分别从阴极和阳极注入器件内部，并由电荷传输层进行传输，最终在有源层(量子点层)内部进行复合发光。量子内部狭窄空间产生的库仑力迫使导带中的电子和价带中的空穴进行结合，并以激子的形式形成电子-空穴对。激子的寿命有限，当激子回归基态时，以发光的形式释放能量。

图1 (a)多色QLEDP器件结构示意图；(b)QLEDP中不同单色光发射光谱；(c)QLEDE器件结构示意图；(d)QLEDE能级结构示意图[29-30]。

3 QLED用于VLC的调制带宽

3.1 QLEDP调制带宽

白光LED在VLC中的带宽与光转换材料的发光特性有关。当信号发生器产生的电信号以正弦波的形式发送到LED芯片后，LED芯片通过电光转换过程将光信号发射并传送至QLEDP的光转换材料，从而使短波长光(如蓝光)的发光波长产生斯托克斯位移，转换成长波长光(如红光)。转化光对应光强可表示为入射光强(Iin(t))与光转换材料脉冲信号响应(h(t))的卷积。因为光转换材料可以看作线性时不变系统，h(t)可以描述为荧光寿命的一阶拟合曲线(I0exp(-t′/τ))，其中I0是初始光强，τ是光转换材料的平均荧光寿命，t′是时间变量[31]。依据白光LED初始光强与光转换材料频率响应函数的卷积运算规则，输出的转换光强(Iout(t))可表示为如下形式:

(1)

其中t和t′在卷积运算中代表时间变量的初始位移以及时间变量。白光LED中，交流和直流电耦合的总光强可表示为直流信号(U)以及信号发生器产生的交流信号(Vsinωt)的总和。根据公式(1)，可推导出输出光强的函数表达式如下：

(2)

(3)

当Rfre=-3 dB时，可算得对应的带宽f3-dB=1/2πτ。该公式与传统的LED芯片带宽计算公式类似，并在Xiao等的研究中证实了量子点光转换材料带宽计算公式与带宽实验测试结果的一致性[32]。相比仅涉及单种光转换材料的白光LED，多种光转换材料叠加所产生的频率响应可表示为不同光转换材料频率响应的乘积。

白光LED照明过程中对电流、光转换材料参数(如厚度、浓度等)的调节，会导致QLEDP照明光谱、不同颜色分量的比重产生改变，从而影响QLEDP的总带宽[30]。多色QLEDP的带宽可根据白光中不同成分发射光所占比例以及不同成分发射光对应的频率响应曲线计算获得。图2(a)描述了蓝光LED激发CdSe/ZnS量子点以及YAG∶Ce3+荧光粉所得三色光对应的单色光频响曲线，以及荧光粉、量子点以及蓝光LED芯片的3 dB带宽。其混光所得多色白光的频率响应可表示为不同发光材质的频率响应与其所占发射光功率比例乘积的加权值，如下所示：

Rfre=MLEDRLED(f)+MPhRPh(f)+MQDRQD(f)，

(4)

其中，MLED、MPh、MQD为LED芯片、荧光粉、量子点发射光功率的比例，RLED(f)、RPh(f)、RQD(f)为LED芯片、荧光粉、量子点的频率响应函数。图2(b)描述了通过公式(4)计算所得多色QLEDP的调制带宽(红色点状曲线)和实际测试所得的调制带宽(黑色散点)的一致性，并揭示了白光LED带宽与相关色温之间的非线性关系[29]。

图2 (a)蓝光LED、荧光粉、量子点的频率响应曲线；(b)不同相关色温(CCT)下QLEDP带宽变化及其拟合曲线[29]。

对于量子点材料的调制特性，目前测得的溶液状态的CdSe/ZnS量子点响应时间约10 ns，测试带宽约15.5 MHz；通过烘烤、固化工艺做成固态片状的CdSe/ZnS量子点响应时间约55 ns，测试带宽约4 MHz，其原因是固化过程中量子点团聚导致的非辐射复合几率增加[33-34]。在目前报道的用于VLC的Ⅱ-Ⅵ族量子点材料中，CdSe/ZnS量子点的光致发光带宽约为2.5～15 MHz[15,30]，其电致发光带宽约为2.5～10 MHz[30,35]；钙钛矿量子点以及碳量子点的光致发光带宽约120～491 MHz左右(测试光源为激光光源)[36-37]。其中，电致发光钙钛矿量子点的稳定性问题以及碳点的聚集问题仍有待解决。

3.2 QLEDE调制带宽

与光致发光器件不同，QLEDE的带宽受到RC常数以及器件载流子寿命的共同影响[38]。其中，RC常数(tRC)为描述光电子器件充放电的时间常数，取决于QLEDE的等效电路结构，即取决于各功能层因涂覆工艺不同产生的接触电阻、不同能级之间产生的电荷累积等因素；而器件载流子寿命取决于功能层的传输性能以及载流子复合的时间，即取决于各功能层厚度、介电常数、迁移率等因素。

图3 (a)2 mm2 QLEDE测试所得频率响应曲线、计算所得BRC以及拟合所得Bτ；(b)4 mm2 QLEDE测试所得频率响应曲线、计算所得BRC以及拟合所得Bτ[30]。

有源层的载流子寿命τ代表复合发生前载流子在量子点层中的平均存在时间，反映了空穴和电子的复合过程。目前测量载流子寿命的方法普遍使用开路电压测试法[42]以及光致发光测试法[43]；然而，其计算结果仅反映整个器件的载流子寿命，并非有源层载流子寿命。基于目前已有OLED的等效电路不适用于评估QLEDE频率响应和推测QLEDE带宽的现状，利用一个能真实反映QLEDE不同层功能物理结构的等效电路，可用于推导器件有源层载流子寿命[44-45]。

如图4(a)、(b)所示，根据能级结构的特点，QLEDE可等效为：(1)有源层和空穴注入层的注入电荷引起的电容以及电阻的并联电路，(2)其他物理层产生体电阻的串联。QLEDE的传递函数Q(ω)可以表示为出射光功率POUT(ω)和输入电压UIN(ω)的比值，即Q(ω)=POUT(ω)/UIN(ω)。Q(ω)由两部分组成，一部分是等效电路相关的传递函数，即

(5)

一部分是有源层电光转换的传递函数，即

(6)

图4 (a)QLEDE等效电路电路模型；(b)QLEDE中功能层与等效电路的对应关系示意图；(c)测试所得频率响应Q(ω)；(d)根据等效电路计算所得频率响应H(ω)；(e)计算所得有源层频率响应F(ω)及根据拟合曲线；(f)计算所得载流子寿命及其在不同电压下的拟合曲线[45]。

材料层种类与厚度等参数的选取可同时影响QLEDE的发光和调制特性。文献[46]尝试使用PVK、poly-TPD、TFB等常用的空穴传输层材料进行发光性能和调试特性对比，发现在以ZnO作为电子传输层的QLED结构中(与文献[30]所用QLED结构相同)使用PVK作为空穴传输层会得到较高发光效率以及较低带宽，如图5(a)、(b)所示。一方面，这是由于PVK的导带能级与量子点的价带能级较为匹配，空穴能较顺利进入量子点内部进行复合；另一方面，经计算，基于PVK材料的QLEDE具备较高的电场常数和较高开启电压，导致其电阻值和电容值较高。与图3中基于TFB材料的QLEDE不同，基于PVK材料的QLEDE，其RC常数对应的带宽计算值BRC与其带宽测试的实际值一致，说明其带宽在不同电流下仅受限于RC常数。

图5 (a)PVK、poly-TPD、TFB作为空穴传输层的QLEDE所得EQE以及亮度；(b)PVK、poly-TPD、TFB作为空穴传输层的QLEDE所得带宽；(c)TFB作为空穴传输层的QLEDE在不同TFB厚度下所得EQE以及亮度；(d)TFB作为空穴传输层的QLEDE在不同TFB厚度下所得带宽；(e)TFB作为空穴传输层的QLEDE在不同LiF厚度下所得EQE以及亮度；(f)TFB作为空穴传输层QLEDE在不同LiF厚度下所得带宽[46]。

空穴传输层的厚度在适中的情况下(如25 nm)可以较大程度提高器件外量子效率(EQE)及亮度，而器件带宽与空穴传输层材料厚度成负相关关系，如图5(c)、(d)所示。LiF层厚度对器件发光和带宽的影响可以参考空穴传输层的研究结论：在适中的厚度(如1 nm)条件下，器件的外量子效率和亮度最高，而器件带宽仅在LiF厚度为零的情况下有最高值，如图5(e)、(f)所示。根据香农定理(Shannon Theory)，QLEDE的发光光强和带宽同时对通信的传输速率产生影响[47]。然而，上述研究结果显示QLEDE的光强和带宽在一定条件下呈现相互制约的关系，即并非亮度越高带宽越高。因此，在VLC的光源设计中需要寻找光源发光特性和调制特性的均衡条件。

3.3 QLED调制特性及其应用前景

相比QLEDP和QLEDE的调制特性，QLEDP的带宽受到发光芯片以及发光材料响应时间的限制，QLEDE的带宽受到RC常数以及载流子寿命的局限。在持续提高器件驱动电流的情况下，QLEDP和QLEDE的带宽都限制于其最终能承受的电流密度。对QLEDP来说，提高带宽的途径包括采用高带宽的激发光源以及通过减少量子点内部和表面缺陷的方法提高量子点的响应速度。对QLEDE来说，有几种提高带宽的途径：(1)通过提高载流子浓度来提高QLEDE可承受的工作电流密度，对带宽的提高有直接作用；(2)缩小发光单元的面积可有效降低QLEDE的RC常数，对部分RC常数限制的QLEDE带宽的提高有直接作用；(3)在工艺条件允许的范围内降低QLEDE的厚度，可缩短器件载流子的传输时间，提高带宽；(4)从张宇等团队对量子点材料的研究进展来看，量子点材料的表面处理[48]、溶剂选择[49]、核壳结构调整[50]以及量子点的配体修饰[51]等方面对材料的响应时间进行改善，是进一步提高QLED带宽的有效手段。得益于QLED快速响应、波长连续可调、高稳定性、柔性制造特性等优点，QLED未来或在柔性屏通信、智慧照明、水下探测等照明-显示-通信结合的交叉领域有广泛的应用前景。

4 结 论

本文从量子点的光转换机理出发，系统综述了QLEDP和QLEDE的发光与调制机理，以及单色、多色QLEDP用于VLC的调制带宽计算方法。QLEDP的总带宽取决于其不同颜色分量对带宽的贡献。光转换材料的调制带宽决定于其频率响应曲线，并最终受到光转换材料响应时间的限制。对于RC常数较小的QLEDE，其调制带宽在低电流下容易受到RC常数的限制，然而在高电流下易受到载流子寿命的限制；对于RC常数较大的QLEDE，其调制带宽仅受到RC常数的限制。有源层载流子寿命可通过建立等效电路的方法进行推导。其次，针对QLED发光特性和调制特性在一定条件下相互制约的现象，可从材料能级结构的匹配、量子点内部缺陷的改进以及量子点表面的修饰等方面进行改善。本研究指出了QLED用于VLC的可行性，并对QLEDP和QLEDE与可见光通信技术的融合提供了理论依据。

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