第４３卷㊀第４期２０２２年４月
发㊀光㊀学㊀报
ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＵＭＩＮＥＳＣＥＮＣＥ
Ｖｏｌ ４３
Ｎｏ ４
Ａｐｒ.ꎬ２０２２
㊀㊀收稿日期:２０２２￣０２￣０４ꎻ修订日期:２０２２￣０２￣２１
苏炳添妻子林艳芳学历㊀㊀基金项目：国家自然科学基金(６１８７５０８２)ꎻ广东省教育厅青年创新人才项目(２０２０ＫＱＣＸ０２６)资助
ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ(６１８７５０８２)ꎻＹｏｕｔｈＴａｌｅｎｔＰｒｏｇｒａｍｂｙＥｄｕｃａｔｉｏｎＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ(２０２０ＫＱＣＸ０２６)
文章编号:１０００￣７０３２(２０２２)０４￣０５９８￣１０
肖㊀华１ꎬ２∗ꎬ陈万里３ꎬ肖翔天３ꎬ王㊀锐３ꎬ王㊀恺３∗
(１.广东海洋大学电子与信息工程学院ꎬ广东湛江㊀５２４０００ꎻ
２.广东海洋大学深圳研究院科技发展中心ꎬ广东深圳㊀５１８１２０ꎻ３.南方科技大学工学院电子与电气工程系ꎬ广东深圳㊀５１８０５５)摘要：可见光通信(ＶｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎꎬＶＬＣ)作为无线通信领域中与无线射频通信互补的一种空间
通信技术ꎬ近年来吸引了众多研究人员的关注ꎮ除了通信链路的电路设计㊁调制模式之外ꎬ调制带宽是照明光源能否实现高质量ＶＬＣ的关键因素ꎮ区别于传统有机ＬＥＤ㊁聚合物ＬＥＤ及以ＧａＮ/ＩｎＧａＮ为代表的无机ＬＥＤ等照明光源ꎬ量子点ＬＥＤ(ＱＬＥＤ)具备响应速度快㊁纯度好㊁发光效率高㊁可同时用于光致发光和电致发光等优势ꎬ是一种理想的用于可见光通信的固态光源器件ꎮ然而ꎬ目前对ＱＬＥＤ用于ＶＬＣ的调制带宽机理研究较少ꎬ尤其是针对多ＱＬＥＤ以及电致发光ＱＬＥＤꎮ本文从量子点的光转换机制出发ꎬ系统综述了不同ＱＬＥＤ的调制机理ꎬ并对光致发光和电致发光ＱＬＥＤ调制带宽的限制因素进行了总结和分析ꎬ为ＱＬＥＤ在ＶＬＣ
中的应用提供了理论依据ꎮ
关㊀键㊀词：可见光通信ꎻ发光二极管ꎻ量子点ꎻ调制带宽
中图分类号:ＴＮ３１２＋.８ꎻＴＮ９２９.１２㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.３７１８８/ＣＪＬ.２０２２００４１
ＰｒｏｇｒｅｓｓｏｎＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＢａｎｄｗｉｄｔｈｏｆ
Ｑｕａｎｔｕｍ￣ｄｏｔＬＥＤｉｎＶｉｓｉｂｌｅＬｉｇｈｔＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
ＸＩＡＯＨｕａ１ꎬ２∗ꎬＣＨＥＮＷａｎ￣ｌｉ３ꎬＸＩＡＯＸｉａｎｇ￣ｔｉａｎ３ꎬＷＡＮＧＲｕｉ３ꎬＷＡＮＧＫａｉ３∗
(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＧｕａｎｇｄｏｎｇＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＺｈａｎｊｉａｎｇ５２４０８８ꎬＣｈｉｎａꎻ
２.ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｅｎｔｒｅꎬＳｈｅｎｚｈｅｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｕａｎｇｄｏｎｇＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈｅｎｚｈｅｎ５１８１２０ꎬＣｈｉｎａꎻ
３.ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｏｕｔｈｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＳｈｅｎｚｈｅｎ５１８０５５ꎬＣｈｉｎａ)
∗ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＡｕｔｈｏｒｓꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｏｌｉｖｉａｘｈ＠ｇｄｏｕ.ｅｄｕ.ｃｎꎻｗａｎｇｋ＠ｓｕｓｔｃ.ｅｄｕ.ｃｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｓｏｎｅｏｆｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓꎬｖｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ(ＶＬＣ)
ａｃｔｓａｓａｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔｔｏｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎꎬａｎｄｈａｓａｔｔｒａｃｔｅｄｍａｎｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ａｔｔｅｎ￣ｔｉｏｎｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ.Ｅｘｃｅｐｔｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｄｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｉｎｃｏｍ￣ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｌｉｎｋｓꎬｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｂａｎｄｗｉｄｔｈｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｓｔｏｒｅａｌｉｚｅｈｉｇｈ￣ｑｕａｌｉｔｙＶＬＣ.Ｄｉｆｆｅｒ￣ｅｎｔｆｒｏｍｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｏｒｇａｎｉｃＬＥＤｓꎬｐｏｌｙｍｅｒＬＥＤｓꎬａｎｄｉｎｏｒｇａｎｉｃＬＥＤｓ(ｓｕｃｈａｓＧａＮ/ＩｎＧａＮＬＥＤｓ)ꎬｑｕａｎｔｕｍ￣ｄｏｔＬＥＤｓ(ＱＬＥＤｓ)ｓｈ
ｏｗｆａｓｔｒｅｓｐｏｎｓｅꎬｈｉｇｈｃｏｌｏｒｐｕｒｉｔｙꎬｈｉｇｈｌｕｍｉｎｏｕｓｅｆｆｉｃｉｅｎ￣ｃｙꎬａｎｄｔｈｅｙｃａｎｒｅａｌｉｚｅｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ.ＱＬＥＤｉｓａｎｉｄｅａｌｓｏｌｉｄ￣ｓｔａｔｅｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｆｏｒＶＬＣꎬｈｏｗｅｖｅｒꎬｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓｓｅｌｄｏｍｒｅｐｏｒｔｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｍｏｄｕｌａ￣ｔｉｏｎｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆＱＬＥＤｉｎＶＬＣꎬｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆｍｕｌｔｉ￣ｃｏｌｏｒＱＬＥＤａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔＱＬＥＤ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｌｉｇｈｔｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓꎬｗｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ
㊀第４期肖㊀华ꎬ等：量子点ＬＥＤ用于可见光通信的调制带宽研究进展５９９㊀ｒｅｖｉｅｗｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔＱＬＥＤｓꎬａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅＱＬＥＤｓ.ＴｈｉｓｓｔｕｄｙｌａｙｓｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＱＬＥＤｓｉｎＶＬＣ.
干海参如何泡发Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｖｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎꎻｌｉｇｈｔ￣ｅｍｉｔ
ｔｉｎｇｄｉｏｄｅꎻｑｕａｎｔｕｍｄｏｔꎻｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｂａｎｄｗｉｄｔｈ
１㊀引㊀㊀言
可见光通信(ＶｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎꎬＶＬＣ)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ꎬ具有无需频谱认证㊁抗电磁干扰㊁安全性高㊁节能㊁通信设备成本较低等优点ꎬ并已在室内定位[１]㊁水下探测[２]㊁交通运输[３￣４]等领域广泛展开研究ꎮＶＬＣ中常用的调制方法有开关键控(ＯＯＫ)[５￣６]㊁正交频分复用(ＯＦＤＭ)[７￣８]㊁离散多音调制(ＤＭＴ)[９]㊁波分复用(ＷＤＭ)[１０]㊁脉冲振幅调制(ＰＡＭ)[１１]等ꎮ
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ꎬ半导体光源可以同时实现照明和通信功能ꎮ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ꎮ有关不同光转换材料和通信光源的调制速度及响应时间ꎬ张屹林等做了详细的总结与分析[１２]ꎮ根据发光机理不同ꎬ具备调制特性的光源可分为有机和无机光源ꎮ其中ꎬ大功率发光二极管(ＬＥＤ)㊁Ｍｉｃｒｏ￣ＬＥＤ等作为用于ＶＬＣ的无机光源ꎬ具有量子效率高㊁尺寸小㊁稳定性好㊁响应速度快等优点ꎬ常用于激发光转换材料发光[１３]ꎮ大功率蓝光ＬＥＤ带宽约３.５~４ＭＨｚ左右ꎬＭｉｃｒｏ￣ＬＥＤ的响应时间低至０.２ｎｓꎬ带宽约几百ＭＨｚ[１４￣１６]ꎮ为满足白光照明的要求ꎬ大功率蓝光ＬＥＤ常用荧光粉作为光转换材料ꎮ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１１５ｋＨｚ到１
ＭＨｚ不等[１７￣１８]ꎻ除无机光源外ꎬ有机ＬＥＤ(ＯＬＥＤ)和聚合物ＬＥＤ(ＰＬＥＤ)被提出用作ＶＬＣ的信号光源ꎮ与传统无机ＬＥＤ相比ꎬＯＬＥＤ与ＰＬＥＤ具有溶液加工特性的优势ꎬ可用于制备柔性面光源ꎻ然而ꎬ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ꎮ多个研究表明ꎬＰＬＥＤ和ＯＬＥＤ的带宽仅限于几百ｋＨｚ[１９￣２１]ꎮ通过预均衡[２２]㊁后均衡[２３]㊁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ꎮ对此ꎬ迟楠㊁陈雄斌等课题组做了大量研究ꎮ
与有机染料类似ꎬ胶体量子点也满足溶液加
工的要求ꎻ然而ꎬ量子点发光具有更短的响应时
间㊁更高的纯度㊁波长连续可调性㊁以及其可见
光和近红外(ＮＩＲ)体系材料对水氧的稳定性[２５]ꎮ从２０世纪８０年代末 量子点 概念的提出开始ꎬ
量子点技术发展至今ꎬ已广泛应用于新型柔性显
示器件㊁照明光源㊁太阳能电池㊁生物检测等领
域[２６]ꎮ其中ꎬＣｄＳｅ量子点的响应时间可低至１０ｎｓꎬ量子产率几乎达到１００％ꎬ荧光半峰宽
(ＦＷＨＭ)可达到２０~３０ｎｍ[２７]ꎮＣｄＳｅ量子点ＬＥＤ(ＱＬＥＤ)的亮度可达１０５~１０６ｃｄ/ｍ２ꎬ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ꎬ可用于实现宽域㊁快速响应㊁高稳定性的光源[２８]ꎮ
ＱＬＥＤ作为一种固态光源器件ꎬ已在显示㊁照明㊁通信等多个领域展开研究ꎮ其中ꎬ有关ＱＬＥＤ的照明性能已经有较多研究ꎬ但是结合ＱＬＥＤ照明和调制特性的研究却较少报道ꎮ本文从量子点的光转换机制出发ꎬ对ＣｄＳｅＱＬＥＤ发光特性和调制带宽的关系进行了详细研究ꎬ总结与分析了ＱＬＥＤ光源在ＶＬＣ中的应用前景㊁面临的困境以及解决方案ꎮ
２㊀ＱＬＥＤ发光和调制机理
２.１㊀ＱＬＥＤ发光机理
根据发光机理不同ꎬＱＬＥＤ分为光致发光ＱＬＥＤ(ＱＬＥＤＰ)和电致发光ＱＬＥＤ(ＱＬＥＤＥ)ꎮ其中ꎬＱＬＥＤＰ通常采用蓝光ＬＥＤ激发量子点发出长波长光(如红光和黄光)ꎮ以ＹＡＧʒＣｅ３＋荧光粉与ＣｄＳｅ/ＺｎＳ量子点分别作为黄和红光转换材料为例ꎬ其ＱＬＥＤＰ器件结构及其对应单光发射光谱如图１(ａ)㊁(ｂ)所示[２９]ꎮ对ＱＬＥＤＰ来说ꎬ当电子吸收光能跃迁到导带时ꎬ价带相应产生空穴ꎮ在量子点内部ꎬ由于电子与空穴之间存在库仑力ꎬ电子与空穴以激子的形式结合ꎮ其中的电子在受到外界微扰后以一定几率回到基态ꎬ并与空穴结合ꎬ发射光能ꎮ
６００㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第４３卷
相比ＱＬＥＤＰꎬＱＬＥＤＥ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ꎮ以文献[３０]中采用的ＱＬＥＤＥ的器件结构为例ꎬ图１(ｃ)㊁(ｄ)描述了ＣｄＳｅ/ＺｎＳＱＬＥＤＥ的器件结构和能级结构示意图ꎮ由于ＱＬＥＤＥ中的发光过程包括载流子注入㊁传输㊁复合和发光ꎬ典型的ＱＬＥＤＥ由三文治结构组成ꎮ电子和空穴分别从阴极和阳极注入器件内部ꎬ并由电荷传输层进行传输ꎬ最终在有源层(量子点层)内部进行复合发光ꎮ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ꎬ并以激子的形式形成电子－空穴对ꎮ激子的寿命有限ꎬ当激子回归基态时ꎬ以发光的形式释放能量
ꎮ
图１㊀(ａ)多ＱＬＥＤＰ器件结构示意图ꎻ(ｂ)ＱＬＥＤＰ中不同单光发射光谱ꎻ(ｃ)ＱＬＥＤＥ器件结构示意图ꎻ(ｄ)ＱＬＥＤＥ能级结构示意图[２９￣３０]ꎮ淳于珊珊个人资料
Ｆｉｇ.１㊀(ａ)ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｐａｃｋａｇｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍｕｌｔｉｃｈｒｏｍａｔｉｃＱＬＥＤＰ.(ｂ)ＭｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒａｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｌｏｒｓｉｎＱＬＥＤＰ.(ｃ)ＰａｃｋａｇｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＱＬＥＤＥ.(ｂ)ＥｎｅｒｇｙｌｅｖｅｌｄｉａｇｒａｍｏｆＱＬＥＤＥ[２９￣３０].
大头菜咸菜３㊀ＱＬＥＤ用于ＶＬＣ的调制带宽
３.１㊀ＱＬＥＤＰ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ꎮ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ꎬＬＥＤ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ꎬ从而使短波长光(如蓝光)的发光波长
产生斯托克斯位移ꎬ转换成长波长光(如红光)ꎮ
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ꎮ因为光
转换材料可以看作线性时不变系统ꎬｈ(ｔ)可以描
述为荧光寿命的一阶拟合曲线(Ｉ０ｅｘｐ(－ｔᶄ/τ))ꎬ
其中Ｉ０是初始光强ꎬτ是光转换材料的平均荧光
寿命ꎬｔᶄ是时间变量[３１]ꎮ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ꎬ输
出的转换光强(Ｉｏｕｔ(ｔ))可表示为如下形式:呼吸37
Ｉｏｕｔ(ｔ)＝Ｉｉｎ(ｔ)∗ｈ(ｔ)＝ʏ¥０Ｉｉｎ(ｔᶄ)ｈ(ｔ－ｔᶄ)ｄｔᶄꎬ(１)
其中ｔ和ｔᶄ在卷积运算中代表时间变量的初始位
移以及时间变量ꎮ白光ＬＥＤ中ꎬ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ꎮ根据公式
(１)ꎬ可推导出输出光强的函数表达式如下:
Ｉｏｕｔ(ｔ)＝Ｉｉｎ(ｔ)Ｕ＋Ｖτ１＋ω２τ２ｓｉｎ(ωｔ－φ)
[]ꎬ
(２)
㊀第４期肖㊀华ꎬ等：量子点ＬＥＤ用于可见光通信的调制带宽研究进展６０１
㊀其中ω是角频率ꎬφ是相位角ꎮ根据公式(２)ꎬ白光ＬＥＤ交流电分量的传递函数幅值可表示为输出光电压与输入光电压之比ꎬ并最终可用公式１/１＋ω２τ２进行描述[２７]ꎮ通过该公式计算的光转换材料的频率响应可表示为
Ｒｆｒｅ＝１０ｌｇ
１
１＋２πｆ２τ２
(
)
高校广告ꎬ
(３)
当Ｒｆｒｅ＝－３ｄＢ时ꎬ可算得对应的带宽ｆ３￣ｄＢ＝
１/２πτꎮ该公式与传统的ＬＥＤ芯片带宽计算公式类似ꎬ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]ꎮ相比仅涉及单种光转换材料的白光ＬＥＤꎬ
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ꎮ
白光ＬＥＤ照明过程中对电流㊁光转换材料参数(如厚度㊁浓度等)的调节ꎬ会导致ＱＬＥＤＰ照明光谱㊁不同颜分量的比重产生改变ꎬ从而影响ＱＬＥＤＰ的总带宽[３０]ꎮ多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ꎮ图２(ａ)描述了蓝光ＬＥＤ激发ＣｄＳｅ/ＺｎＳ量子点以及ＹＡＧʒＣｅ３＋荧光粉所得三光对应的单光频响曲线ꎬ以及荧光粉㊁量子点以及蓝光ＬＥＤ芯片的３ｄＢ带宽ꎮ其混光所得多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ꎬ如下所示:
Ｒｆｒｅ＝ＭＬＥＤＲＬＥＤ(ｆ)＋ＭＰｈＲＰｈ(ｆ)＋ＭＱＤＲＱＤ(ｆ)ꎬ
(４)
其中ꎬＭＬＥＤ㊁ＭＰｈ㊁ＭＱＤ为ＬＥＤ芯片㊁荧光粉㊁量子点发射光功率的比例ꎬＲＬＥＤ(ｆ)㊁ＲＰｈ(ｆ)㊁ＲＱＤ(ｆ)为ＬＥＤ芯片㊁荧光粉㊁量子点的频率响应函数ꎮ图２(ｂ)描述了通过公式(４)计算所得多ＱＬＥＤＰ的调制带宽(红点状曲线)和实际测试所得的调制带宽(黑散点)的一致性ꎬ并揭示了白光
ＬＥＤ带宽与相关温之间的非线性关系[２９]ꎮ对于量子点材料的调制特性ꎬ目前测得的溶
液状态的ＣｄＳｅ/ＺｎＳ量子点响应时间约１０ｎｓꎬ测试带宽约１５.５ＭＨｚꎻ通过烘烤㊁固化工艺做成固态片状的ＣｄＳｅ/ＺｎＳ量子点响应时间约５５ｎｓꎬ测试带宽约４ＭＨｚꎬ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]ꎮ在目前报道的用于ＶＬＣ的Ⅱ￣Ⅵ族量子点材料中ꎬＣｄＳｅ/ＺｎＳ
量子点的光致发光带宽约为２.５~１５ＭＨｚ[１５ꎬ３０]ꎬ其电致发光带宽约为２.５~１０ＭＨｚ[３０ꎬ３５]ꎻ钙钛矿量子点以及碳量子点的光致发光带宽约１２０~４９１ＭＨｚ左右(测试光源为激光光源)[３６￣３７]ꎮ其中ꎬ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
ꎮ
图２㊀(ａ)蓝光ＬＥＤ㊁荧光粉㊁量子点的频率响应曲线ꎻ(ｂ)不同相关温(ＣＣＴ)下ＱＬＥＤＰ带宽变化及其拟合曲线[２９]ꎮ
Ｆｉｇ.２㊀(ａ)ＦｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅｃｕｒｖｅｏｆｂｌｕｅＬＥＤꎬｐｈｏｓｐｈｏｒｓꎬａｎｄｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓ.(ｂ)ＢａｎｄｗｉｄｔｈｏｆＱＬＥＤＰｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔＣＣＴ
ｖａｌｕｅｓ[２９].
３.２㊀ＱＬＥＤＥ调制带宽
与光致发光器件不同ꎬＱＬＥＤＥ的带宽受到
ＲＣ常数以及器件载流子寿命的共同影响[３８]ꎮ其中ꎬＲＣ常数(ｔＲＣ)为描述光电子器件充放电的时间常数ꎬ取决于ＱＬＥＤＥ的等效电路结构ꎬ即取决
于各功能层因涂覆工艺不同产生的接触电阻㊁不同能级之间产生的电荷累积等因素ꎻ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ꎬ即取决于各功能层厚度㊁介电常数㊁迁移率等因素ꎮ
６０２㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第４３卷
为研究ＱＬＥＤＥ中ＲＣ常数以及载流子寿命对调制带宽的影响ꎬ文献[３０]中针对ＩＴＯ/ＰＥＤＯＴʒＰＳＳ/ＴＦＢ/ＱＤ/ＺｎＯ/Ａｌ结构的ＱＬＥＤＥ
展开了发光面积以及驱动电流对带宽的影响机制研究ꎮ受ＲＣ常数限制的调制带宽(ＢＲＣ)可表示为ＢＲＣ＝１/２πｔＲＣ[３９]ꎮ受载流子寿命(τ)限制的调制带宽(Ｂτ)可表示为Ｂτ＝１/２πτꎬ其中τ＝ｅｄ/ＪＢꎬｅ为电子电量ꎬｄ为发光层厚度ꎬＢ为复合系数ꎬＪ为电流密度ꎬ电流密度Ｊ和电子浓度呈正相关关系[４０￣４１]ꎮ如图３所示ꎬ对比不同电流下用ＢＲＣ㊁Ｂτ计算所得数据以及实验测量所得带宽ꎬ发现在小电流下ꎬ三者带宽几乎相同ꎻ然而在电流超过约１０ｍＡ之后ꎬＢＲＣ呈现陡峭的增长趋势ꎬ而Ｂτ与测试所得带宽几乎重合ꎬ且都远小于ＢＲＣ计算所得带宽值以及量子点本身的带宽值１５.
５
ＭＨｚꎮ
㊀
图３㊀(ａ)２ｍｍ２ＱＬＥＤＥ测试所得频率响应曲线㊁计算所得ＢＲＣ以及拟合所得Ｂτꎻ(ｂ)４ｍｍ２ＱＬＥＤＥ测试所得频率响应曲线㊁计算所得ＢＲＣ以及拟合所得Ｂτ[３０]ꎮ
Ｆｉｇ.３㊀ＭｅａｓｕｒｅｄｂａｎｄｗｉｄｔｈꎬｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆＢＲＣꎬａｎｄｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅｏｆＢτｆｏｒ２ｍｍ２ＱＬＥＤＥ(ａ)ａｎｄ４ｍｍ２ＱＬＥＤＥ(ｂ).
实验结果表明ꎬ在电流较小的时候ꎬ用ＢＲＣ来
描述ＱＬＥＤＥ带宽是可取的ꎬ而大电流下限制带宽
的因素不再是ＲＣ常数ꎬ而是τꎮ在相同驱动电流
下ꎬ小面积的ＱＬＥＤＥ的ＲＣ常数较低ꎬ因此小面
积样品的ＢＲＣ较高ꎮ小面积ＱＬＥＤＥ的带宽在大
电流下同样受载流子寿命的影响ꎬ但其带宽测量
值比大面积ＱＬＥＤＥ要高ꎮ根据公式τ＝ｅｄ/ＪＢꎬ
决定小面积ＱＬＥＤＥ带宽较高的关键因素是小面
积ＱＬＥＤＥ的电流密度Ｊ要高于大面积ＱＬＥＤＥ的
电流密度Ｊꎮ
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ꎬ反映了空穴和
电子的复合过程ꎮ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]ꎻ然而ꎬ其计算结果仅反映整个器件的载流
子寿命ꎬ并非有源层载流子寿命ꎮ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ꎬ利用一个能真实反
映ＱＬＥＤＥ不同层功能物理结构的等效电路ꎬ可用
于推导器件有源层载流子寿命[４４￣４５]ꎮ
如图４(ａ)㊁(ｂ)所示ꎬ根据能级结构的特点ꎬ
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ꎬ(２)其
他物理层产生体电阻的串联ꎮＱＬＥＤＥ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ꎬ即Ｑ(ω)＝ＰＯＵＴ(ω)/ＵＩＮ(ω)ꎮ
Ｑ(ω)由两部分组成ꎬ一部分是等效电路相关的
传递函数ꎬ即
Ｈ(ω)＝ＵＱＤ
(ω)
ＵＩＮ(ω)ꎬ(５)
一部分是有源层电光转换的传递函数ꎬ即
Ｆ(ω)＝ＰＯＵＴ
(ω)
ＵＱＤ(ω)ꎬ(６)
Ｈ(ω)描述了ＱＬＥＤＥ器件两端电压到有源层两端
电压的变化过程ꎬＦ(ω)描述了有源层电压转化
为电功率再变为光功率的传递函数ꎮＨ(ω)和
Ｆ(ω)可结合文献调研和测量器件参数的方法进
行计算ꎮ通过扣除测试所得Ｑ(ω)中计算所得
Ｈ(ω)的成分ꎬ再对离散数据进行拟合ꎬ可得到不
同驱动电流下Ｆ(ω)的拟合曲线ꎮ根据拟合的频
率响应曲线以及频率响应曲线对应的函数形式
１/１＋ω２τ２ꎬ可计算得到不同电流的载流子寿命
τꎬ其计算过程如图４(ｃ)~(ｆ)所示ꎮ
发布评论