CN107611155B - 照明显示通信共用的GaN基微米尺寸LED阵列芯片及集成模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供照明显示通信共用的GaN基微米尺寸LED阵列芯片及集成模块。集成模块由GaN基微米尺寸LED阵列芯片、偏置树电路、MOS开关阵列和现场可编程门阵列（FPGA）组成。LED阵列芯片由高速通信发光单元和低速通信发光单元构成，高速通信发光单元工作在较大电流密度下；低速通信发光单元工作在较小电流密度下。高速通信发光单元直接与信号源连接，传输高频交流信号；低速通信发光单元与MOS开关阵列连接，受FPGA控制选择导通一路以上的发光单元，实现照明、显示功能，并传输低频交流信号。本发明可以实现两通道的高速通信和多通道的低速通信，而且低频通信发光单元还具有照明和显示功能。
Description
技术领域
本发明涉及可见光通信用LED领域，具体涉及一种照明显示通信共用的微米尺寸LED阵列芯片及集成模块。
背景技术
可见光通信是在照明、显示光源的驱动电路上施加交变的电流或电压信号，将交变的电路信号转化为明、暗变化的可见光信号，然后在自由空间或光纤中传输，最后由光电接收器再将可见光信号转化为电路信号，完成电-光-电的信号传输。照明和显示光源都要求较高的发光效率。
LED芯片的调制带宽是影响可见光通信系统中数据传输速率的重要因素。由于微米尺寸LED芯片具有较好的电流密度均匀性和较好的散热性能，可承受较高的电流密度。已有研究表明，在大电流密度下，LED芯片通常具有较大的调制带宽。在几千A/cm2的电流密度下，微米尺寸LED芯片的调制带宽可达几百MHz。而照明用普通大尺寸LED芯片在大电流密度下很容易烧坏，通常只能工作在几十A/cm2的电流密度，调制带宽只有几MHz至十几MHz。然而，在大电流密度下，由于俄歇复合等作用的影响，LED芯片的发光效率下降，不利于照明和显示。
芯片的发光效率和调制带宽通常是此消彼长的关系。已有文献报道，在量子阱的垒层掺杂、增加空穴浓度、减小有源层厚度、减少芯片的有效发光面积都可以提高调制带宽，但都将降低芯片的发光效率。表面等离激元（SPP）LED具有量子阱-表面等离激元-光子辐射通道，可同时提升发光效率和调制带宽。然而，由于SPP的局域场特性，使得工艺复杂，一直未能获得实用化的芯片。
发明内容
本发明针对照明显示通信共用的LED集成模块，公开一种微米尺寸LED阵列芯片结构及集成模块的构造方法，可以实现两通道的高速通信和多通道的低速通信，而且低频通信发光单元还具有照明和显示功能。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下。
一种照明显示通信共用的GaN基微米尺寸LED阵列芯片，由N行M列的发光单元组成，其中N和M的取值大于4，第一行第一列的发光单元和第N行第M列的发光单元是高速通信发光单元，相邻高速通信发光单元的中心距离是1.5 mm ~ 10 mm，剩余其它发光单元是低速通信发光单元；所述高速通信发光单元传输50 MHz ~ 1 GHz的高频交流信号，高频交流信号和直流信号通过偏置树电路耦合后直接注入高速通信发光单元；所述低速通信发光单元传输1 Hz ~ 50 MHz的低频交流信号，低频交流信号和直流信号通过偏置树电路耦合然后注入低速通信发光单元；所述交流信号用于通信，直流信号用于照明和显示；通过FPGA控制MOS开关阵列选择导通一路以上的所述偏置树电路和低速通信发光单元。
进一步地，高速通信发光单元的P电极和N电极单独引出制备P焊盘和N焊盘；每一行的低速通信发光单元的P电极通过金属线串连，并在芯片边缘制备P焊盘；每一列的低速通信发光单元的N电极通过金属线串连，并在芯片边缘制备N焊盘。
进一步地，高速通信发光单元的直径或边长小于等于100 μm，电流扩展层是Pd或Ni/Au的一种，电流密度大于等于1000 mA/mm2；低速通信发光单元的直径或边长小于等于500 μm，电流扩展层是氧化铟锡（ITO），电流密度小于等于400 mA/mm2；高速通信发光单元的尺寸小于低速通信发光单元的尺寸。
进一步地，未制备金属电极前，相邻发光单元通过隔离沟槽实现电绝缘，隔离沟槽从芯片表面延伸至绝缘衬底；制备金属电极后，P电极分布在发光单元的中心，N电极围绕P电极分布在发光单元的边缘；在N电极与P电极金属线的交叉互联区域，N电极与P电极金属线实现电隔离。
进一步地，所述的N电极与P电极金属线实现电隔离的结构是：在N电极上制备缺口，P电极金属线从缺口区域通过；N电极和P电极金属线没有交叠区域。
进一步地，所述的N电极与P电极金属线实现电隔离的结构是：N电极和P电极金属线在垂直衬底方向上有交叠区域，在N电极与P电极金属线之间制备钝化层进行隔离；即先制备N电极、N电极金属线和N焊盘，接着沉积钝化层，然后通过光刻和腐蚀暴露N焊盘、P电极和P焊盘区域，再制备P电极、P电极金属线和P焊盘，形成N电极、钝化层、P电极金属线三层结构。
本发明提供的基于所述照明显示通信共用的GaN基微米尺寸LED阵列芯片的集成模块，包括所述GaN基微米尺寸LED阵列芯片、偏置树电路、MOS开关阵列和现场可编程门阵列（FPGA）；所述高速通信发光单元传输高频交流信号，高频交流信号和直流信号通过偏置树电路耦合然后直接注入高速通信发光单元；所述低速通信发光单元传输低频交流信号，FPGA控制MOS开关阵列选择导通一路以上的偏置树电路和低速通信发光单元，低频交流信号和直流信号通过偏置树电路耦合然后注入高速通信发光单元；所述交流信号用于通信，直流信号用于照明和显示。
进一步地，偏置树电路中，直流信号从直流端口输入，直流端口依次与磁珠、并联电容组、电阻-电感网络相连形成直流通路；交流信号从交流端口输入，交流端口与一颗电容相连形成交流通路；直流通路与交流通路结合构成直流-交流耦合端口；所述并联电容组由两颗电容并联而成，两颗电容的取值不相等，相互匹配后在1 Hz ~ 2 GHz的频率范围内呈现低阻抗特性；所述电阻-电感网络由两颗电感和两颗电阻组成，两颗电感串联，且每颗电感与一颗电阻并联，两颗电感的取值不相等，相互匹配后在1 Hz ~ 2 GHz的频率范围内呈现高阻抗特性。
进一步地，所述的MOS开关阵列中，MOS开关的栅极连接FPGA的输出端，FPGA的输入端连接工控计算机的输出端；MOS开关的源极连接LED芯片发光单元的负极，漏极接地或者偏置树的负极；N × M个MOS开关组成阵列，根据FPGA输出的并行选择逻辑信号，将一路以上的偏置树电路和发光单元导通。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明制备的LED集成模块可实现照明通信共用。FPGA输出选择逻辑信号，将所有低速通信发光单元导通，注入较小的直流信号使发光单元在较低的电流密度下工作，可实现高效率的照明功能；在直流信号上叠加低频交流信号，可在照明的同时实现低速通信。FPGA输出选择逻辑信号，将一个或者两个高速通信发光单元导通，注入较大的直流信号使发光单元在较高的电流密度下工作，由于仅有一个或者两个发光单元发光，对照明的影响可以忽略；在直流信号上叠加高频交流信号，可在其它发光单元照明的同时实现高速通信；因为两个高速通信发光单元的距离大于1.5 mm，通过光学系统处理，可在短距离视距传输时被接收器区分，所以可实现双通道的高速通信。
2、本发明制备的LED集成模块可实现显示通信共用。FPGA输出选择逻辑信号，将一个以上低速通信发光单元导通，注入较小的直流信号使发光单元在较低的电流密度下工作，可实现高清晰的显示功能；在直流信号上叠加低频交流信号，可在这部分发光单元显示的同时实现低速通信。FPGA输出选择逻辑信号，将一个或者两个高速通信发光单元导通，注入较大的直流信号使发光单元在较高的电流密度下工作，在直流信号上叠加高频交流信号，可在其它发光单元显示的同时实现双通道的高速通信。
3、本发明制备的LED集成模块包括高速通信发光单元和低速通信发光单元，高速通信发光单元以快速频率响应为目标进行设计，低速通信发光单元以高发光效率的照明和显示为目标进行设计，可实现照明显示通信共用的实用化芯片。高速通信发光单元的尺寸较小，电流扩展层的电阻和电容较低，工作在较大电流密度下；低速通信发光单元的尺寸较大，电流扩展层的透过率较高，工作在较小电流密度下。
附图说明
图1是一种照明显示通信共用的LED芯片阵列及集成模块的示意图。
图2是偏置树电路的示意图；
图3是MOS开关阵列的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。
对于一种照明显示通信共用的LED集成模块，如图1所示，蓝宝石衬底GaN基微米尺寸LED阵列芯片由6行6列圆盘状发光单元组成，其中第1行第1列的发光单元是第一高速通信发光单元11，第6行第6列的发光单元是第二高速通信发光单元12，两个单元的直径为100μm，其它发光单元是低速通信发光单元13，单元的直径为200 μm。相邻发光单元之间有20 μm宽、深至蓝宝石衬底的隔离沟槽，高速通信发光单元（11、12）的中心距离是1.55 mm。发光单元的P电极呈圆盘状，分布在发光单元的中心；N电极呈圆环状，围绕P电极分布在发光单元的边缘。由于先制备N电极、N电极金属线和N焊盘，接着采用等离子增强化学气相沉积法制备1 μm厚的SiO2钝化层，再制备P电极、P电极金属线和P焊盘，所以N电极与P电极金属线在垂直衬底的方向上有SiO2隔离层实现电绝缘。高速通信发光单元（11、12）的电流扩展层是10 nm厚的Pd金属，从P电极和N电极单独引线制备Cr/Al/Ti/Au（50/800/200/200 nm）的P焊盘和N焊盘；低速通信发光单元的电流扩展层是100 nm厚的ITO，每一行的低速通信发光单元的P电极通过金属线串连，在芯片右侧制备Cr/Al/Ti/Au的P焊盘；每一列的低速通信发光单元的N电极通过金属线串连，在芯片下侧制备Cr/Al/Ti/Au的N焊盘。
偏置树41-43的电路原理图如图2所示。在直流端口DC至输出端口DC&AC构成的直流通路上，磁珠401的阻值是600 Ω，可以抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，还可以吸收静电脉冲。并联电容阻402中的两个电容分别取值4.7 μF和1 μF，减小电容的寄生参数的影响，使并联电容组在较大的频率范围内都呈现低阻抗特性，从而吸收大量的交流信号，防止交流信号对直流通路的干扰。电阻-电感网络403中的两个电感分别取值4.7 μH和100 μH，两个电阻的取值都为1000 Ω，使网络对较大频率范围内的交流信号呈现高阻抗特性，阻挡交流端口AC输入的交流信号反向注入直流信号源。在交流端口AC至输出端口DC&AC的交流通路上，电容404取值0.1 μF，只让交流信号流过，阻挡直流端口DC输入的直流信号反向注入交流信号源。
MOS开关阵列301如图3所示。每一个MOS管301的源极与一个发光单元303串联，栅极与FPGA 302的输出端口连接，漏极接地。当MOS管301栅极是高电平时，MOS管301导通，注入直流信号使发光单元303点亮，交流信号使发光单元303输出的光产生明、暗变化；当MOS管301栅极是低电平时，MOS管301截止，发光单元303无法点亮。
FPGA 302输出选择逻辑信号（111111 111111 …… 111111），控制MOS管301开关电路阵列将所有发光单元导通。低速通信发光单元的驱动电路31将频率为10 MHz的正弦交流信号和10 mA直流信号通过偏置树43注入第1行的5个低速通信发光单元，与此类似，其他驱动电路（32-36）将频率为10 MHz的正弦交流信号和10 mA直流信号分别通过偏置树注入第2-6行的5个低速通信发光单元。所有的低速通信发光单元在10 mA的工作电流下出光效率为120 lm/W，用于高效率的照明，且共同组成单通道的10 MHz的低速通信。高速通信发光单元的驱动电路21将频率为100 MHz的正弦交流信号和100 mA直流信号通过偏置树401注入第1行第1列的高速通信发光单元11，与次类似，高速通信发光单元的偏置树电路22将频率为100 MHz的正弦交流信号和100 mA直流信号通过偏置树402注入第6行第6列的高速通信发光单元12。两个高速通信发光单元在100 mA的工作电流下出光效率为20 lm/W。
FPGA 302输出选择逻辑信号（111111 001000 …… 001000），控制MOS管301开关电路阵列将第1行的5个低速通信发光单元以及第2-6行第3列的5个低速通信发光单元导通，微米尺寸LED阵列芯片显示字符“T”。低速通信发光单元的驱动电路31-36将频率为5MHz的正弦交流信号和5 mA直流信号分别通过偏置树注入导通的10个低速通信发光单元。所有发光的低速通信发光单元在5 mA的工作电流下出光效率为130 lm/W，用于高清晰的显示，且共同组成单通道的5 MHz的低速通信。另一高速通信发光单元的偏置树电路21将频率为100 MHz的正弦交流信号和100 mA直流信号通过偏置树401注入第1行第1列的高速通信发光单元11，与次类似，驱动电路22将频率为100 MHz的正弦交流信号和100 mA直流信号通过偏置树402注入第6行第6列的高速通信发光单元12。两个高速通信发光单元在100 mA的工作电流下出光效率为20 lm/W。
Claims (7)
1.一种照明显示通信共用的GaN基微米尺寸LED阵列芯片，其特征是由N行M列的发光单元组成，其中N和M的取值大于4，第一行第一列的发光单元和第N行第M列的发光单元是高速通信发光单元，相邻高速通信发光单元的中心距离是1.5mm～10mm，剩余其它发光单元是低速通信发光单元；所述高速通信发光单元传输50MHz～1GHz的高频交流信号，高频交流信号和直流信号通过偏置树电路耦合后直接注入高速通信发光单元；所述低速通信发光单元传输1Hz～50MHz的低频交流信号，低频交流信号和直流信号通过偏置树电路耦合然后注入低速通信发光单元；所述交流信号用于通信，直流信号用于照明和显示；通过FPGA控制MOS开关阵列选择导通一路以上的所述偏置树电路和低速通信发光单元；高速通信发光单元的P电极和N电极单独引出制备P焊盘和N焊盘；每一行的低速通信发光单元的P电极通过金属线串连，并在芯片边缘制备P焊盘；每一列的低速通信发光单元的N电极通过金属线串连，并在芯片边缘制备N焊盘；未制备金属电极前，相邻发光单元通过隔离沟槽实现电绝缘，隔离沟槽从芯片表面延伸至绝缘衬底；制备金属电极后，P电极分布在发光单元的中心，N电极围绕P电极分布在发光单元的边缘；在N电极与P电极金属线的交叉互联区域，N电极与P电极金属线实现电隔离。
2.如权利要求1所述的照明显示通信共用的GaN基微米尺寸LED阵列芯片，其特征是高速通信发光单元的直径或边长小于等于100μm，电流扩展层是Pd或Ni/Au的一种，电流密度大于等于1000mA/mm2；低速通信发光单元的直径或边长小于等于500μm，电流扩展层是氧化铟锡(ITO)，电流密度小于等于400mA/mm2；高速通信发光单元的尺寸小于低速通信发光单元的尺寸。
3.如权利要求1所述的照明显示通信共用的GaN基微米尺寸LED阵列芯片，其特征是，所述的N电极与P电极金属线实现电隔离的结构是：在N电极上制备缺口，P电极金属线从缺口区域通过；N电极和P电极金属线没有交叠区域。
4.如权利要求1所述的照明显示通信共用的GaN基微米尺寸LED阵列芯片，其特征是，所述的N电极与P电极金属线实现电隔离的结构是：N电极和P电极金属线在垂直衬底方向上有交叠区域，在N电极与P电极金属线之间制备钝化层进行隔离；即先制备N电极、N电极金属线和N焊盘，接着沉积钝化层，然后通过光刻和腐蚀暴露N焊盘、P电极和P焊盘区域，再制备P电极、P电极金属线和P焊盘，形成N电极、钝化层、P电极金属线三层结构。
5.基于权利要求1～4任一项所述照明显示通信共用的GaN基微米尺寸LED阵列芯片的集成模块，其特征是包括所述GaN基微米尺寸LED阵列芯片、偏置树电路、MOS开关阵列和现场可编程门阵列(FPGA)；所述高速通信发光单元传输高频交流信号，高频交流信号和直流信号通过偏置树电路耦合然后直接注入高速通信发光单元；所述低速通信发光单元传输低频交流信号，FPGA控制MOS开关阵列选择导通一路以上的偏置树电路和低速通信发光单元，低频交流信号和直流信号通过偏置树电路耦合然后注入高速通信发光单元；所述交流信号用于通信，直流信号用于照明和显示。
6.如权利要求5所述的的集成模块，其特征是偏置树电路中，直流信号从直流端口输入，直流端口依次与磁珠、并联电容组、电阻-电感网络相连形成直流通路；交流信号从交流端口输入，交流端口与一颗电容相连形成交流通路；直流通路与交流通路结合构成直流-交流耦合端口；所述并联电容组由两颗电容并联而成，两颗电容的取值不相等，相互匹配后在1Hz～2GHz的频率范围内呈现低阻抗特性；所述电阻-电感网络由两颗电感和两颗电阻组成，两颗电感串联，且每颗电感与一颗电阻并联，两颗电感的取值不相等，相互匹配后在1Hz～2GHz的频率范围内呈现高阻抗特性。
7.如权利要求5所述的的集成模块，其特征是所述的MOS开关阵列中，MOS开关的栅极连接FPGA的输出端，FPGA的输入端连接工控计算机的输出端；MOS开关的源极连接LED芯片发光单元的负极，漏极接地或者偏置树的负极；N×M个MOS开关组成阵列，根据FPGA输出的并行选择逻辑信号，将一路以上的偏置树电路和发光单元导通。
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