深度解析 | Micro LED搭配有机薄膜如何实现“可见光通讯”？

图1呈现本研究设想的应用情境：单一天花板灯具同时提供室内照明与下行数据传输，使用者可用桌上型计算机、平板或穿戴式装置接收讯号。要实现这个情境，作者在半导体元件与材料化学两个面向分别进行设计。

图1：本研究提出之白光系统应用情境示意图，单一micro-LED灯具同时提供室内照明与下行数据传输，可应用于可见光通讯与一般固态照明(SSL)。

在材料化学方面，作者选用两种有机发光材料。第一种称为CC-MP4，是以phenothiazine与dimesitylborane为骨架的化合物，发出绿光，固态光致发光量子效率(PLQY)达80%，更重要的是激发态寿命仅数奈秒。第二种为市售橙红光共轭聚合物MEH-PPV。将快速的绿光发光体与快速的橙红光发光体混合，可让复合薄膜涵盖足够宽广的发光光谱，达到良好演色性，这是单一窄频发光体难以做到的。图2为CC-MP4与MEH-PPV的分子结构，其中并标示MEH-PPV为维持可溶性制程所需的分支侧链基。

在半导体元件方面，光源核心为单像素半极性(20−21)蓝光micro-LED，芯片直径100 μm。

制作流程上，作者先以微影与感应耦合电浆反应性离子蚀刻(ICP-RIE)在(22−43)方向蓝宝石基板上制作图案化蓝宝石基板(PSS)，接着以有机金属化学气相沉积(MOCVD)成长半极性(20−21) GaN层。为避免GaN合并过程中产生堆栈缺陷，先沉积锗掺杂GaN，再成长8 μm厚的未掺杂GaN层，并以化学机械研磨(CMP)达到表面平整。完整磊晶结构由下而上依序为1.5 μm的n-GaN层、3 nm InGaN／5 nm GaN单一量子井(SQW)，以及100 nm的p型GaN层，最上层则以湿蚀刻及ICP-RIE蚀刻出225 nm厚的ITO台面。电极部分以电子束蒸镀方式沉积Ti/Al/Ti/Au(厚度分别为20/125/45/75 nm)并经热退火形成欧姆接触，再以原子层沉积(ALD)搭配电浆辅助化学气相沉积(PECVD)形成30/200 nm的Al₂O₃−SiO₂钝化层，最后沉积20/250/300 nm的Ti/Al/Au作为侧壁反射层与接垫金属，完成元件制作。

将氮化镓磊晶层成长在半极性而非传统c-plane方向上，可降低量子井内部的压电场，进而缩短辐射复合载子寿命，并抑制在高电流操作下造成发光波长飘移的量子侷限史塔克效应(QCSE)。图3展示元件结构剖面示意图，以及完成制作元件的显微镜影像，可见其环状主动区与电极接脚配置。

图3：(a)单像素半极性micro-LED结构剖面示意图，由图案化蓝宝石基板经InGaN/GaN量子井至ITO电极；(b)完成制作之100 μm芯片显微镜影像。

要量测GHz等级的光源，仅靠光谱仪并不足够。图4显示作者如何结合矢量网络分析仪(VNA，型号HP 8720ES)与偏压T型器(bias-tee)，将小讯号交流电叠加在micro-LED的直流驱动电流上，再以光纤将经过调变的光讯号导入高速光侦测器(型号SPA-3)，直接量测频率响应。同一套系统中以粉红色虚线标示的区域，则改以蓝光激光二极管(型号OSRAM PL 450B)搭配475 nm长通滤光片作为激发光源，用来单独量测有机薄膜的频率响应，藉此将色转换材料本身的速度与蓝光光源的速度区分开来。

图4：白光系统(黑底区域，以micro-LED为光源)与有机发光体(粉红虚线区域，以蓝光激光二极管为激发光源)之频率响应量测系统示意图。

这个区分有其意义，因为整体白光系统的频宽最终会受限于元件与薄膜两者中较慢的一方，唯有先个别掌握两者特性，才能理解组合后系统的表现。数据传输特性方面，则以Anritsu MP1800A产生27−1拟随机位元序列(PRBS-7)的NRZ-OOK讯号，并以Tektronix DPO 7354C示波器记录眼图。

在加入色转换层之前，作者先对裸micro-LED进行特性量测。图5绘出电压与光输出功率对电流密度的关系。开启电压约3 V，光输出功率随电流密度增加而持续上升，在电流密度2500 A/cm²时达到约29 mW，显示此micro-LED具备足够功率来有效激发下游色转换薄膜。

图5内插图为电流157 mA(对应电流密度约2000 A/cm²)时的电激发光(EL)光谱，峰值波长443 nm，半高宽(FWHM)仅23.6 nm，窄发光光谱代表良好色纯度，也使此芯片同时适合应用于显示器。

图5：micro-LED之P-J-V(功率-电流密度-电压)特性曲线，内插图为电流密度约2000 A/cm²时之电激发光光谱。

micro-LED的−3 dB频宽可用下式描述：f₋₃dB = √3／(2πτₘ) = [√3／(2π)]×(1/τᴿ + 1/τᴺᴿ + 1/τᴿC)，其中τₘ为少数载子寿命，τᴿ为辐射复合寿命，τᴺᴿ为非辐射复合寿命，τᴿC则是RC时间常数。一般而言，micro-LED的−3 dB频宽主要受τᴿ限制，在τᴺᴿ维持不变的前提下，缩短τᴿ即可提升频宽；而半极性micro-LED由于量子侷限史塔克效应较弱，本就具有较短的τᴿ，因此在频宽表现上占有优势。

本研究的核心其实在于有机色转换材料的行为，图6以三个子图说明。子图(a)叠合CC-MP4与MEH-PPV两种纯膜的吸收光谱与光致发光光谱：CC-MP4的吸收光谱延伸至526 nm，并在440 nm附近出现肩峰，与蓝光激发匹配良好，发光峰值在515 nm；MEH-PPV吸收光谱同样宽广，涵盖280至628 nm，峰值在494 nm，发光峰值在596 nm，并在638 nm附近出现肩峰。CC-MP4与MEH-PPV的半高宽分别为72 nm与89 nm，显示两者搭配蓝光激发时具备产生高演色性白光的潜力。

图6：(a) CC-MP4与MEH-PPV纯膜之UV-vis吸收光谱与光致发光光谱；(b)两者之时间解析光致发光衰减曲线；(c)对应之−3 dB调变频宽(CC-MP4为185 MHz，MEH-PPV为490 MHz)，内插图为CC-MP4薄膜实际照片。

子图(b)为两者的时间解析光致发光(TRPL)衰减曲线，定义平均寿命为强度衰减至初始值1/e所需的时间，CC-MP4为4.85 ns，MEH-PPV仅0.31 ns，两者均远快于传统荧光粉、钙钛矿量子点与碳点荧光粉等材料常见的微秒至毫秒等级寿命。子图(c)则将寿命转换为频域上的频宽数值：CC-MP4之−3 dB调变频宽为185 MHz，MEH-PPV则达490 MHz，相较于传统荧光粉常见的3至5 MHz，提升幅度达35倍甚至逾百倍。

由于CC-MP4的发光光谱与MEH-PPV的吸收光谱有明显重叠，两者具备进行Förster共振能量转移(FRET)的条件，也就是受激发的CC-MP4(施体)可将能量以非辐射方式传递给邻近的MEH-PPV(受体)，而非直接以光子形式释出。

图7证实这个转移过程确实发生在混合薄膜(命名为M1，CC-MP4与MEH-PPV以1:1体积比混合)中。子图(a)显示M1薄膜的吸收光谱同时保留两种成分的特征，在324 nm与437 nm处出现源自CC-MP4的吸收峰，并在536 nm附近出现源自MEH-PPV的肩峰，发光范围则宽达475至800 nm，涵盖515 nm与596 nm两个发光峰。

子图(b)为M1在515 nm处量测的光致发光衰减曲线，寿命缩短至仅480 ps，相较于纯CC-MP4的4.85 ns大幅缩短，是能量转移发生的明确证据，内插图也显示混合膜的频宽提升至262 MHz。根据能量转移效率公式ηₑₜ = 1 − τcomposite/τneat，以及转移速率公式kₑₜ = 1/τcomposite − 1/τneat，计算得到M1的能量转移效率为90.1%，转移速率为1.88×10⁹ s⁻¹，此效率明显高于文献中先前报导之数值，说明混合膜之光致发光量子效率(30.4%)之所以明显高于纯MEH-PPV(17%)的原因；相对而言，转移速率则与先前文献报导之数值相近。

图7：(a)复合薄膜M1(CC-MP4与MEH-PPV以1:1体积比混合)之UV-vis吸收光谱与光致发光光谱；(b) M1薄膜在515 nm处之光致发光衰减曲线，内插图为复合膜之−3 dB频宽(262 MHz)。

确认能量转移机制有效后，作者将M1薄膜以体积比1:6稀释于PMMA基质中，涂布于micro-LED前方，组成完整白光系统，命名为W1。图8整理了此白光系统的发光质量。

图8：(a)白光系统W1在10 mA下之发光光谱，内插图为对应之白光实际照片；(b) W1在10 mA下之CIE 1931色度坐标；(c) W1在不同驱动电流下之CCT与CRI变化。

子图(a)为驱动电流10 mA时之发光光谱，可见来自micro-LED的窄蓝光峰(443 nm)与来自有机薄膜的较宽绿光峰(515 nm)及橙红光峰(596 nm)并存，涵盖足够宽广的可见光范围，使系统相关色温(CCT)达5249 K，演色性指数(CRI)为89.7，属于接近日光、高演色性等级的白光，明显优于一般荧光粉LED偏蓝且演色性偏低的特性。

子图(b)为对应之CIE 1931色度坐标，落点(0.3374, 0.3252)接近等能量白点附近。

子图(c)呈现驱动电流由10 mA增加至196 mA过程中，CCT与CRI的变化情形，两者在整个电流范围内仅有小幅变化：CCT随电流上升由5249 K略增至约6570 K附近，CRI则维持在85至90之间，显示系统色彩表现具有良好稳定性。原文表1同时列出各电流下的CIE坐标，例如10 mA时为(0.3374, 0.3252)，30 mA时为(0.3367, 0.3282)，逐步变化至196 mA时的(0.3153, 0.3183)，变化幅度平缓且规律，显示白点在系统被驱动至更高速率时仍维持良好稳定性。

文中另指出，若提高CC-MP4与MEH-PPV的混合体积比，可得到CCT约2500 K、CRI为84的暖白光，但因蓝光在整体频宽中扮演重要角色，此时白光频宽会有所下降。

良好的演色性若无法搭配足够速度，对可见光通讯而言意义有限，而这正是半极性micro-LED设计发挥效益之处。

图9(a)呈现裸蓝光micro-LED在四种驱动电流(0.07、7.85、117、196 mA)下的调变频宽，趋势明显：频宽随电流增加而持续上升，由低电流时远低于100 MHz，一路提升至196 mA时的1233 MHz。作者将此现象归因于高载子密度下内部电场受到屏蔽，进而缩短辐射复合寿命；由于频宽随电流持续上升而未出现饱和，显示此元件受限于载子复合寿命，而非RC延迟，这项区分有其意义，因为受限于RC延迟的元件无法单纯藉由提高驱动电流来加速。

图9：(a)裸半极性蓝光micro-LED在四种驱动电流(0.07、7.85、117、196 mA)下之调变频宽，196 mA时达1233 MHz；(b)完整白光系统W1之调变频宽，达1027 MHz，内插图为对应之NRZ-OOK眼图。

图9(b)为完整白光系统W1之频宽，在同样196 mA下达到1027 MHz，相较于裸micro-LED仅有小幅下降，此下降可归因于蓝光讯号通过色转换薄膜时在高电流下产生的高频噪声，抵销了部分micro-LED本身在高电流下取得的频宽增益，但整体而言下降幅度并不大，主要仍受惠于micro-LED本身极高的调变频宽，以及有机发光体极短的PL寿命。内插之眼图(eye diagram)以NRZ-OOK调变格式、27−1拟随机位元序列所产生，眼图清晰可辨，对应量测到之数据传输速率为1.62 Gbps，超越作者设定之1.6 Gbps目标，同时仍维持CRI在85以上。

原文表2汇整近年以LED为基础之VLC与SSL白光系统，可见本系统在1027 MHz频宽、1.62 Gbps传输速率、5249 K色温与约90之CRI等各项指标上，相较于过去以蓝光LED搭配黄色有机发光体、钙钛矿量子点或多色荧光粉之系统，整体表现较为均衡。作者并指出，后续若采用脉波振幅调变(PAM)、偏振分工多工(PDM)或正交分频多工(OFDM)等较先进之调变技术，数据传输速率仍有进一步提升空间。

有机材料普遍容易受湿气与热影响而劣化，因此以有机发光体取代无机荧光粉的作法，必须直接面对材料稳定性的问题。作者将CC-MP4:PMMA薄膜置于真空干燥箱中储存三个月，储存期间干燥箱维持于室温，再重新量测其光学与频率响应特性。

图10：CC-MP4:PMMA薄膜储存90天后之稳定性测试结果：(a)第1天与存放90天后之micro-LED加CC-MP4:PMMA系统发光光谱比较；(b)对应之频率响应比较，频宽由185 MHz微幅下降至171 MHz。

图10(a)比较micro-LED加CC-MP4:PMMA系统在第1天与存放90天后的发光光谱，两条曲线几乎重叠，仅在峰值附近出现些微下降。

图10(b)比较同一期间之频率响应，−3 dB频宽由185 MHz降至171 MHz，降幅约7.5%，以三个月的储存期而言，此变化程度不大，显示该薄膜在制作完成后能维持大部分的高速特性，而非快速劣化，对于实际应用而言具有一定参考价值。