CN109148665B - 一种可见光高频通信led - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见光高频通信LED，包括N电极、P电极、发光体以及基板，所述N电极、P电极以及发光体相互绝缘间隔设置在基板上表面，所述发光体面积为基板面积的20～50％，在基板上表面向上延伸2μm～30μm设置有起遮光作用的金属管柱，该管柱内设柱孔，发光体纳置于柱孔内，发光体的高度比管柱的高度小0.2μm～6μm；所述发光体与管柱之间设有绝缘层。该可见光高频通信LED发光区域小，有效减小了PN结电容以及降低了RC时间，增加了载流子浓度，进而改善了LED调制带宽，使得饱和电流区也可以是工作电流的10～15倍。
Description
技术领域
本发明涉及光通信器件领域，尤其涉及一种可见光高频通信LED。
背景技术
现在光纤通信，采用的光源有LD、RCLED、VCSEL、LED。LED虽然具有价格便宜、寿命长等优点，但一般应用在低速场合，传输速率小于50Mbps；而LD、RCLED、VCSEL主要是用在高速率场合，其价格高；这样就大大地限制了可见光作为光通信载体的使用。
发明内容
基于上述问题，本发明所要解决的问题在于提供一种传输速率大、价格低，且过流密度大的可见光高频通信LED。
本发明的技术方案如下：
一种可见光高频通信LED，包括N电极、P电极、发光体以及基板，所述N电极、P电极以及发光体相互绝缘间隔设置在基板上表面；所述发光体面积为基板面积的20～50％；在基板上表面向上延伸2μm～30μm设置有起遮光作用的金属管柱，该管柱内设柱孔，所述发光体纳置于所述柱孔内，发光体的高度比管柱的高度小0.2μm～6μm；所述发光体与管柱之间设有绝缘层。
所述可见光高频通信LED，其中，在所述基板的上表面且对应于发光体位置处为平面结构。
所述可见光高频通信LED，其中，所述P电极、N电极以及管柱的材质均为金属金或铝。
所述可见光高频通信LED，其中，所述绝缘层的材质为SiO2。
所述可见光高频通信LED，其中，所述P电极数量与所述N电极数量均为一个；在所述柱孔内还设有一电极空心管，所述电极空心管通过若干金属隔片与管柱电连接，且所述电极空心管、金属隔片以及管柱之间形成的若干个空隙将发光体分隔成若干个独立的发光体单体。
所述可见光高频通信LED，其中，所述P电极数量与所述N电极数量均为一个；在所述柱孔内设有若干根横向和纵向交错排列的金属隔片，所述金属隔片所形成的空隙将所述发光体分隔成若干个独立的发光体单体，且每一所述金属隔片均与所述管柱电连接。
所述可见光高频通信LED，其中，所述P电极数量与所述N电极数量均为两个以上，且每个P电极与N电极形成一个PN结；在所述柱孔内交错设置的两根以上金属隔片分别与管柱电连接，且所述金属隔片将发光体分隔成若干个独立的发光体单体。
所述可见光高频通信LED，其中，所述P电极数量与所述N电极数量均为两个以上，且每个P电极与N电极形成一个PN结；每个所述P电极通过柱孔按照径向规则排列设置。
所述可见光高频通信LED，其中，在所述柱孔内设有若干同心环柱状的金属隔片，若干个所述金属隔片将发光体分隔成若干个独立的发光体单体，且每个所述金属隔片通过一导线与P电极电连接。
所述可见光高频通信LED，其中，所述管柱的两个侧壁呈螺旋状设置后并并形成螺旋状的柱孔，该管柱的发散端直接与P电极电连接。
本发明提供的可见光高频通信LED，具有如下优点：
1、发光面积，也就是发光区域小，有效减小了PN结电容；同时，提升了散热效果，还可以承载较大电流密度，大于0.4KA/cm2；
2、P电极除发光区域外全镀金，能有效减小P电极与N电极层之间的电阻，增加量子阱层的载流子复合均匀性；
3、P电极侧面(台阶)沉积绝缘层和金属遮挡层，以抑制侧面出光，减小发光角度。
4、发光区域减小，降低了RC时间，增加了载流子浓度，进而改善了LED调制带宽，使得饱和电流区也可以是工作电流的10～15倍。
附图说明
图1为发明提供的实施例1中的可见光高频通信LED结构示意图；
图2为图1中A-A向截面剖视图；
图3为本发明提供的实施例2中的可见光高频通信LED结构示意图；
图4为本发明提供的实施例3中的可见光高频通信LED结构示意图
图5为本发明提供的实施例4中的可见光高频通信LED结构示意图；
图6为本发明提供的实施例5中的可见光高频通信LED结构示意图；
图7为本发明提供的实施例6中的可见光高频通信LED结构示意图；
图8为本发明提供的实施例7中的可见光高频通信LED结构示意图。
具体实施方式
一般来说，影响LED调制特性的因素主要取决于以下两个方面：RC时间和载流子自发辐射寿命。LED的有源区是多量子阱结构，具有电荷限制作用，在响应过程中的上升下降时间称为RC时间，主要受到结电容影响，对信号具有延迟作用；而LED有源区内载流子自发辐射寿命直接影响载流子从复合到光子逃逸出器件的时间。
通过减小LED的发光区域尺寸来降低RC时间，从而改善LED调制带宽，是较为直观的一种方式。
本发明提供的可见光高频通信LED，简称F-LED，其发光面积，也称发射区域的直径为30～250μm。由于发射区域面积小，因此其PN结电容值也不超过50pf，导致驱动电流密度大于0.4KA/cm2，远大于传统大面积LED的电流密度0.1KA/cm2；同时，发射区域其面积小，所以F-LED的散热效果很好，也可以提升电流密度。
大电流下，PN结中注入的载流子浓度增加，因而激子复合几率增加，辐射复合载流子寿命降低，LED的电光快速响应。这是因为载流子寿命如果长，当LED上调制电流要改变调制亮度时，此时LED本身载流子并未消失，亮度不会跟随变化，所以载流子寿命减小，提高了LED的调制速度。
影响载流子自发辐射寿命的因素很多，一般来说，外部因素主要是来源于注入载流子的浓度；而内部因素主要是由于LED自身的结构以及其他复合通道等。
当F-LED工作在大电流饱和区时，其载流子浓度增加、载流子寿命大幅减小，LED的带宽与载流子寿命成反比，这样其调制带宽会很大，可以达到300MHz以上。
为降低LED的功耗和发热，让F-LED工作在过电流区，也可增加LED的调制带宽，可以达到200MHz以上；如饱和电流区是工作电流的10到15倍，过电流区是工作电流的3到5倍。
本发明提供的一种可见光高频通信LED，包括N电极、P电极、发光体以及基板，所述N电极、P电极以及发光体相互绝缘间隔设置在基板上表面；发光体面积为基板面积的20～50％；在基板上表面向上延伸2μm～30μm设置有金属的管柱，该管柱内设柱孔，P电极与管柱电连接，且所述发光体纳置于所述柱孔内，发光体的高度比管柱的高度小0.2μm～6μm；所述发光体与管柱之间设有绝缘层。本发明中，P电极与管柱一体成型。
该LED中，P电极尺寸为40μm～80μm，优选55μm；发光体等效直径30μm～250μm优选85μm；PN结的电容C小于50pF。这样可以有效形成一个点光源LED。
如果发光体为圆形，其直径为30μm～250μm；或者，如果发光器为非圆形体，如，椭圆体，方形体，规则或非规则的多边体等，则发光体的近似相对径向长度为30μm～250μm。
下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。
实施例1
如图1和2所示，本发明提供的一种可见光高频通信LED，包括N电极、P电极、发光体20以及基板10，N电极、P电极以及发光体20相互绝缘间隔设置在基板10上表面；发光体20面积为基板10面积的20％，且P电极的一部分由基板10上表面向上延伸2μm形成阶梯状的起遮光作用的金属管柱11，该管柱11也称为遮光层；管柱11内设有一柱孔201，发光体20，也称发光区域也由基板10上表面向上延伸1.8μm形成阶梯状台阶且发光体20通过一绝缘层12绝缘地设置在柱孔201内，N电极由基板10上表面向上延伸0.5μm。
本实施例中，P电极与N电极均为一个，两者之间形成一PN结。
如图2所示，管柱11、P电极和N电极的材质均为金属金；N电极、P电极以及发光体20之间的绝缘材料为钝化后的SiO2薄膜层。在P电极上设置有P-PAD层1，以及在N电极上设置有N-PAD层2，P-PAD层1和N-PAD层2都是焊接导线作用。
制作时，P电极的侧面先绝缘处理，将将SiO2钝化形成薄膜后制成绝缘层12；再电镀金属金制作成金箔作为遮挡层11，以抑制发光体20侧面出光引起的发光角度过大。P电极除发光区域外全镀金，能有效减小P电极与N电极之间的电阻，增加量子阱层的载流子复合均匀性。
本实施例中，采用蓝宝石平片衬底25作为基板10，(未经图形处理的蓝宝石衬底)于反应室中加热，并对其反应室通入氢气或惰性气体(氮气、或氩气)作为载气，把含有III族元素的金属有机物(Ga-Mo)源和含有V族元素的非金属氢化物(NH3)进行n-GaN外延层生长形成n-GaN层24，且该n-GaN层24的纵向截面为阶梯状，即“L”型，阶梯高度约为0.5～10μm，且位于P电极处的n-GaN层24相对较厚。
为减小发光体20的发光角度，在蓝宝石衬底25的上表面且对应于发光体20处设置成高精度的平面结构。
如图2所示，发光体20包括下至上依次层叠有n-GaN层24、MQW层23、p-GaN层22及ITO层21。其制备工艺为：
先在蓝宝石衬底25的上表面制备阶梯状的n-GaN层24，待n-GaN层24制备完毕后，采用相同的工艺，在阶梯处n-GaN层24表面通过化学气相沉积工艺，由下至上依次制备MQW层23、p-GaN层22及ITO层21。其中，ITO层21、p-GaN层22、MQW层23以及部分n-GaN层24层叠后构成发光体20；n-GaN层24层用于产生电子，MQW层23作为电子和空穴激发光源，p-GaN层22产生空穴，ITO层21其电流扩展作用。
上述可见光高频通信LED，N电极位于n-GaN层另一端27表面，且N电极与发光体20通过SiO2层形成的绝缘层12间隔设置。
如图2所示，为提升发光体20，也即LED的出光率，在基板10的蓝宝石衬底25底表面镀有布拉格反射层26。
这种可见光高频通信LED，其具有如下优点：
1、发光面积，也就是发光区域小，有效减小了PN结电容；同时，提升了散热效果，还可以承载较大电流密度，大于0.4KA/cm2；
2、P电极除发光区域外全镀金，能有效减小P电极与N电极层之间的电阻，增加量子阱层的载流子复合均匀性；
3、P电极侧面(台阶)沉积绝缘和金属遮挡层，以抑制侧面出光，减小发光角度。
4、发光区域减小，降低了RC时间，增加了载流子浓度，进而改善了LED调制带宽，使得饱和电流区也可以是工作电流的10～15倍。
实施例2
与实施例1之间的区别为：
如图3所示，在柱孔201内还设有一电极空心管40，电极空心管40通过若干金属隔片30与管柱11电连接，本实施例中，金属隔片30为金箔片，且数量为六片，沿电极空心管40径向等圆弧角分布。在电极空心管40内，设有第一发光体单体401，在电极空心管40、金属隔片30以及管柱11之间所形成的六个间隙中也各设有一个第二发光体单体202；类似于电极空心管40、金属隔片30以及管柱11将发光体20分隔成七个独立的发光体单体(401，202)。七个发光体(401，202)单体共用一个PN结。
金属隔片30、管柱11、P电极和N电极的材质均为金属铝。管柱11的高度为5μm；发光体20面积为基板10面积的25％，发光体20的高度为4μm；N电极由基板10上表面向上延伸1μm。
本实施例具有如下优点：
1.发光区域被金属层均分成内圆和等分扇形环，增加均分P电极，提高LED芯片表面的电流分布均匀性，提升LED芯片的发光效率；
2.P电极均匀分布，电流分布均匀，载流子复合均匀性增加，提高响应时间；
3.P电极均分电极增加，载流子复合速率增加。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
如图4所示，在柱孔201内设有金属隔片30与管柱11电连接，金属隔片30为金箔片，且数量为六片，在柱孔201内按照三片横向设置、三片纵向设置，且横向和纵向各自对应的三片金箔片等间距设置。在金属隔片30以及管柱11之间所形成的十六个间隙中也各设有一个第三发光体单体203；类似于金属隔片30以及管柱11将发光体20分隔成十六个独立的发光体单体203。十六个发光体单体203共用一个PN结。
管柱11的高度为10μm；发光体20面积为基板10面积的30％，发光体20的高度为8μm；N电极由基板10上表面向上延伸2μm。
本实施例具有如下优点：
1.环形发光区域被等间距金属层分割成网状，增加电流扩展，提升LED芯片表面的电流分布均匀性，提升LED芯片的发光效率；
2.LED芯片顶部金属电极和ITO导电层使电荷在整个芯片均匀分布，提升响应速率，提升响应时间；
3.LED芯片表面金属电极，能有效减小P电极与N电极层之间的电阻，增加量子阱层的载流子复合均匀性。
实施例4
与实施例1不同之处在于：
如图5所示，P电极数量与所述N电极数量均为四个，且每个P电极与N电极形成一个PN结，共有四个PN结，在柱孔201内交错设置的两根金属隔片30分别与管柱11电连接，即两根金属隔片30呈“十”字对称设置，且金属隔片30将发光体20分隔成四个独立的发光体单体；类似于金属隔片30以及管柱11将发光体20分隔成四个独立的发光体单体203。四个发光体单体203各自对应一个PN结。
金属隔片30、管柱11、P电极和N电极的材质均为金属铝。管柱11的高度为15μm；发光体20面积为基板10面积的30％，发光体20的高度为12μm；N电极由基板10上表面向上延伸3μm。
本实施例具有如下优点：
1.LED芯片发光区域由四等分圆组合而成，每部分为一个独立LED发光芯片；
2.每部分LED芯片的P电极单独引出，N电极单独引出；
3.每部分LED芯片独立控制点亮，通过控制LED点亮方式来调节亮度，以实现PAM4通信。
实施例5
与实施例1不同之处在于：
如图6所示，P电极数量与所述N电极数量均为四个，且每个P电极与N电极形成一个PN结，共有四个PN结；四个所述P电极通过柱孔201按照径向呈正方形对称排列设置在基板上，且相互之间电绝缘独立分布。
管柱11的高度为20μm；发光体20面积为基板10面积的35％，发光体20的高度为116μm；N电极由基板10上表面向上延伸3.5μm。
本实施例具有如下优点：
1.LED芯片由四个独立芯片组合而成，每个LED芯片单独控制发光；
2.减小了PN结电容，提高器件的响应频率，从而提高器件的调制带宽；
3.每部分LED芯片独立控制点亮，通过控制LED点亮方式来调节亮度，以实现PAM4通信。
实施例6
与实施例1不同之处在于：
如图7所示，在柱孔201内设有若干个同心环柱状的金属隔片50。由管柱11与金属隔片50，以及相邻金属隔片50之间的空隙内，分别设置有发光体单体204；类似于金属隔片50将柱孔201内的发光体20分隔成若干个独立的环状发光体单体204。本实施例中为七个发光体单体204。七个发光体单体204之间的六个金属隔片50通过一导线501与P电极形成电连接；发光体单体204的间隔为蚀刻的沟道。
导线501、金属隔片30、管柱11、P电极和N电极的材质均为金属铝。管柱11的高度为30μm；发光体20面积为基板10面积的50％，发光体20的高度为25μm；N电极由基板10上表面向上延伸5μm。
本实施例具有如下优点：
1.发光区为同心环蚀刻沟槽间隔，具有更小的PN结电容，提高了器件的响应频率，从而提高器件的调制带宽；
2.有效减小P电极与N电极层之间的电阻，增加量子阱层的载流子复合均匀性。
实施例7
与实施例1不同之处在于：
如图8所示，发光体20直接设置在基板10上表面，且管柱11的两个侧壁呈盘香状(即螺旋形)设置后并形成螺旋状的柱孔201，该管柱11的发散端50直接与P电极电连接。
管柱11的高度为25μm；发光体20面积为基板10面积的40％，发光体20的高度为19μm；N电极由基板10上表面向上延伸4μm。
本实施例具有如下优点：
1.P电极为均匀走线的螺旋形，保证了载流子复合时间一致，提高了器件的响应频率；
2.P电极为摆线型或螺旋形，减小了PN结电容，提高了器件的响应频率，从而提高器件的调制带宽；
3.摆线型或螺旋形芯片形状，有利于电子空穴复合，提高载流子复合率。
应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种可见光高频通信LED，包括N电极、P电极、发光体以及基板，所述N电极、P电极以及发光体相互绝缘间隔设置在基板上表面；其特征在于，所述发光体面积为基板面积的20～50％；在基板上表面向上延伸2μm～30μm设置有起遮光作用的金属管柱，该管柱内设柱孔，所述发光体纳置于所述柱孔内，发光体的高度比管柱的高度小0.2μm～6μm；所述发光体与管柱之间设有绝缘层。
2.根据权利要求1所述的可见光高频通信LED，其特征在于，在所述基板的上表面且对应于发光体位置处为平面结构。
3.根据权利要求1所述的可见光高频通信LED，其特征在于，所述P电极、N电极以及管柱的材质均为金属金或铝。
4.根据权利要求1所述的可见光高频通信LED，其特征在于，所述绝缘层的材质为SiO2。
5.根据权利要求1所述的可见光高频通信LED，其特征在于，所述P电极数量与所述N电极数量均为一个；在所述柱孔内还设有一电极空心管，所述电极空心管通过若干金属隔片与管柱电连接，且所述电极空心管、金属隔片以及管柱之间形成的若干个空隙将发光体分隔成若干个独立的发光体单体。
6.根据权利要求1所述的可见光高频通信LED，其特征在于，所述P电极数量与所述N电极数量均为一个，在所述柱孔内设有若干根横向和纵向交错排列的金属隔片，所述金属隔片所形成的空隙将所述发光体分隔成若干个独立的发光体单体，且每一所述金属隔片均与所述管柱电连接。
7.根据权利要求1所述的可见光高频通信LED，其特征在于，所述P电极数量与所述N电极数量均为两个以上，且每个P电极与N电极形成一个PN结；在所述柱孔内交错设置的两根以上金属隔片分别与管柱电连接，且所述金属隔片将发光体分隔成若干个独立的发光体单体。
8.根据权利要求1所述的可见光高频通信LED，其特征在于，所述P电极数量与所述N电极数量均为两个以上，且每个P电极与N电极形成一个PN结；每个所述P电极通过柱孔按照径向规则排列设置。
9.根据权利要求1所述的可见光高频通信LED，其特征在于，在所述柱孔内设有若干同心环柱状的金属隔片，若干个所述金属隔片将发光体分隔成若干个独立的发光体单体，且每个所述金属隔片通过一导线与P电极电连接。
10.根据权利要求1所述的可见光高频通信LED，其特征在于，所述管柱的两个侧壁呈螺旋状设置后形成螺旋状的柱孔，该管柱的发散端直接与P电极电连接。
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