第一作者：任翱博、王昊
通讯作者：Wei Zhang、巫江
单位：电子科技大学、萨里大学、剑桥大学
背景介绍
消费电子、移动通信和先进计算技术的快速发展导致数据流量的大量增长，给通信行业带来了新的挑战。以发光二极管(LED)作为光源的通信系统在可见光通信和光互联等应用中都有着巨大的发展潜力。相比于目前基于传统III–V族半导体材料的micro-LED，近年来新兴的有机半导体、胶体量子点和金属卤化物钙钛矿材料可以提供同样优异的光电特性以及可溶液加工等低成本工艺优势，或可为发展下一代数据通信技术提供新的解决方案。
鉴于此，电子科技大学巫江教授、萨里大学WeiZhang教授和剑桥大学Ian White院士团队总结和回顾了有机半导体、胶体量子点和金属卤化物钙钛矿材料的发展及其LED器件的性能改进和器件创新，深入探讨了新型光源的带宽调制机理与外量子效率的优化策略，同时对新型LED光源在片上光互联和Li-Fi (Light Fidelity)等应用场景下的相关发展建议。这项成果以题为“Emerging light-emitting diodes for next-generation datacommunications”发表在Nature Electronics（影响因子IF=33.68）。剑桥大学博士生王昊和电子科大任翱博博士为本文的第一作者。
图文导读
近年来，基于有机半导体、量子点、卤化物钙钛矿材料的发光领域的研究研究取得了巨大进展。这些材料能够吸引广泛的科学研究兴趣有几个主要原因：可调的光电特性，包括其带隙、电子能级和载流子迁移率。这不仅允许所选材料从可见光到近红外区域的可调节光电发射，而且有利于优化能带结构和载流子传输。另一方面，这些材料可以在非真空条件下通过较低成本的制造技术进行溶液加工和沉积，如旋涂、喷涂、打印、刮涂等。这些方法在不依赖外延生长技术的情况下，对于制造互补金属氧化物半导体兼容的光电子元件具有潜在优势。总的来说，这些新兴材料正在革新目前的发光技术，其器件性能还有很大改进空间。
图1. 基于新兴半导体材料的LED. (a) 典型的几种有机半导体分子结构，(b) 一般胶体量子点结构，(c) 金属卤化物钙钛矿晶体结构，(d)典型LED器件结构，(e) 相关能带结构信息，可溶液加工技术(f) 旋涂，(f) 喷涂，(d)打印，(i) 刮涂。
基于LED的通信系统是通过调制具有高频响应能力的LED来实现的。在通信过程中，由驱动系统接收来自信号发生器的信息来控制LED，通过LED将调制后的电信号转换为调制的光信号，高速光电探测器作为接收端再将光信号经过特定的算法转换成电信号。根据传输介质的不同，可以分为光波导和自由空间信道传播。
图2. 基于LED光源的通信系统示意图。
基于LED的导波通讯系统通过高分子聚合物光纤或波导实现高速而低成本的光学互联，可用于板级互连、物联网以及大面积光电集成系统，而自由空间LED通讯系统则应用于光无线通信。如Li-Fi和水下通信等。光信号通过通道传播后，随后被转换回电信号并由接收器进行分析。接收器通常由光学系统、光电转换器(包括光电探测器、放大器和信号处理系统)组成。
图3. 基于新兴半导体材料的高速LED频率响应特性及其进展。高速OLED的(a) 器件结构示意图和(b) 频率响应。钙钛矿LED材料优化，(c) ODEA分子结构，(d) 钙钛矿表面钝化，(e) 双向钙钛矿二极管工作示意图 (f) 频率响应。(g) OLED,QLED,PeLED频率响应性能进展，涵盖-3dB带宽、发光波长、电流密度、相对器件尺寸等。
在LED通信系统中，LED光源可简化等效为由二极管电阻(Rd)串联电阻(Rs)和器件电容(C)组成的电阻-电容（RC）系统，二极管电阻随外加电场呈非线性变化，串联电阻是与接触电阻和驱动电路相关的等效电阻，二极管电容来源于器件的介电特性和不同功能层之间界面的电荷积累。LED接收到电信号后，载流子通过注入、传输和复合产生相应的光信号。因此，在器件中建立新的准平衡态之前，存在与RC效应、电荷传输和复合过程相对应的时间延迟。
图4. (a-c) OLED, (d-f) PeLED,(g-i) QLED在提高外量子荧光效率(EQE)上的代表性进展。(a)常规荧光，(b)热活化延迟荧光(TADF),(c) 双线态有机电致发光机理示意图。(d) 具有核-渐变壳的量子点结构和电子能级示意图，(e) 二元混合PbS/ZnO量子点薄膜，(f) InP/ZnSe/ZnS量子点的选区电子衍射图配位体交换。(g) CsPbBr3/MABr准核/壳结构钝化非辐射复合缺陷，(h) 准二维钙钛矿量子阱结构，(i) 钙钛矿薄膜微米级周期性结构实现高效率出光耦合。
如果减小LED的电阻-电容时间相关常数(RC time constant)并提高发光层的辐射复合速率(直接反映为更短的辐射复合寿命)，理论上可以实现更高的调制带宽。LED光源的带宽大小与器件的尺寸和电注入水平密切相关，如何有效保证器件发光功率的同时尽可能降低RC时间相关常数是提升OLED/QLED/PeLED器件频率响应性能的关键。
近年来，OLED、QLED、PeLED的发光效率不断被刷新，在材料调控、机理认知、器件优化等领域都有显著地突破。在提升器件发光效率的同时，如何针对性的调整器件高速响应能力是未来发展新型光通信LED光源的重点。
图5. 基于白光LED的可见光通信。(a) 基于荧光下转换的白光LED，(b)基于并行RGB和 (c) 叠层的RGB的白光LED。(d) Cs2Ag0.60Na0.40InCl6双钙钛矿的瞬态吸收光谱，(e) Cs2Ag0.60Na0.40InCl6双钙钛矿宽光谱白光发射(400-800 nm)。
无线可见光通信（VLC）和片上光互联被认为是未来光通信技术的两大发展方向。无线可见光通信利用LED照明光实现无线局域网通信的方法，应用于无线局域网通信系统中，在数据传输的同时可以实现照明节能；目前基于白光LED的通信系统应用主要仍是下转换结构器件，直接白光发射的器件研究相对滞后。
图6. 未来基于LED光通信的应用场景:(1) 对延时要求严格的短程通信集成组件(如自动驾驶);(2) 柔性生物传感器 (3) 数据中心;(4) 水下通信;(5) 用于精确跟踪和定位的低成本的片上物联网传感器;(6)室内数据服务 (Li-Fi)。
展望
用于未来物联网和6G通信系统的光子器件必须是高速、低成本和易于集成的。基于机半导体、量子点、卤化物钙钛矿材料的新型LED光源在一些特定场景下或可与基于传统无机材料的micro-LED相竞争。然而，基于这类材料的LED通讯系统研究和开发相对较不成熟，其性能还远未达到要求。
1. 就材料而言，发光层需要具有较短的辐射复合寿命以提高其器件频率响应。对于有机半导体来说，尽管多种有机体系可以提供非常高的内量子效率，但有些材料由于延迟发射的效应，会降低其调制带宽。对于胶体量子点和卤化物钙钛矿材料，需要在优化材料合成、缺陷钝化等方面进一步突破，以提高能量转换效率。此外，提高发光层和传输层材料的载流子迁移率、优化能带匹配和电子-空穴注入平衡也需要额外关注。
2. 在器件层面，RC时间相关常数较大是目前限制这类LED实现高速调制的主要因素。通常情况下，减小器件RC时间相关常数最直接的方法是保持高注入电流密度的情况下减少器件的有效面积；特别是QLED和PeLED中较高密度的表面陷阱密度会加剧电荷积聚效应，加剧了器件的电容特性。同时，减小器件有效电阻、提高器件的热传导性能的新型器件结构设计也至关重要。
3. 在通信系统方面，针对这类LED可实现溶液加工的优势，发展成熟的制造技术，将LED与其他光子元件(包括聚合物波导、光学微透镜和光电探测器)实现单片集成，从而实现低成本、低耦合损耗、工业规模和高度集成的通信系统。最后，通过更先进通信算法来提高通信系统中的数据传输速率。
该工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研发计划、四川省创新团队、电子科技大学电磁波与物质互相作用研究平台、英国工程和自然科学研究委员会（EPSRC）等单位的支持。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00624-7
本文版权归原作者所有，文章内容不代表平台观点或立场。如有关于文章内容、版权或其他问题请与我方联系，我方将在核实情况后对相关内容做删除或保留处理！联系邮箱: yzhao@koushare.com