CN111010232A - 一种提高可见光通信中Micro-LED带宽方法 - Google Patents

Abstract

一种提高可见光通信中Micro‑LED带宽方法，涉及可见光通信领，包括以下步骤：1)根据Micro‑LED芯片有源区对芯片发光波长的调控机理，构建Micro‑LED芯片光学性能模型；2)根据步骤1)构建的Micro‑LED芯片光学性能模型制备微纳尺度下量子阱层露出的Micro‑LED芯片；3)在步骤2)制备的Micro‑LED芯片的侧壁沉积ALD层；4)在Micro‑LED芯片上沉积量子点，使量子点和侧壁量子阱接触，从而利用非辐射能量转移机制加大载流子复合效率，降低载流子寿命，进而提高Micro‑LED的‑3dB带宽。

Description

一种提高可见光通信中Micro-LED带宽方法

技术领域

本发明涉及可见光通信领域，尤其涉及一种提高可见光通信中Micro-LED带宽方法。

背景技术

LED半导体行业中，从传统的LCD到OLED再到如今的Micro-LED，在照明应用行业不断得到升级换代，目前Micro-LED虽然主要形成两大应用方向，一个是以苹果为代表的可穿戴市场；另一个是以三星等显示器厂商为代表的超大尺寸电视市场；但是将新一代甚至具有革新意义的显示技术——Micro-LED应用到同是具有极大发展前景的可见光通信中，作为可见光通信技术中的光源，是较为新颖的学术思想，同时前瞻性、可行性都有所保证，不仅拓展了Micro-LED的应用范围，同时为可见光通信的发展奠定了基础。

可见光通信技术是利用Micro-LED发出高速明暗闪烁的信号来传递信息；在接收端通过光电探测器接收信号，经过编码、调制、解调便能够完成信号在Micro-LED信号发射端与接收端信号的传输功能。可见光通信技术可以作为当前WiFi和光纤上网补充接入手段，并且在无线频谱日益紧张的情况下，可见光的频谱资源非常丰富，使用无需授权，且能够在电磁受限或电磁信号敏感的条件下自由使用。另外，可见光通信系统的防泄密性极高，只要能够阻挡可见光的传输路径，信号就无法正常传输，一般的房间都能够阻止信号向外传播信号，因此能够保持私密性。

将可见光通信实现规模化应用的一大瓶颈是光源的选取问题，由于从最初的LED的诞生到衍生出新一代Micro-LED，其半导体工艺设计初衷是从照明和色彩显示方面考量，而并未从通信方面考虑，因此传统的半导体工艺已限制了整个半导体行业中LED的带宽，可见光通信的传输速率和传输距离也因此受到限制。因此，寻找一种可以从源头增加可见光通信的传输带宽，进而提高可见光通信传输速率的方法，以及增加Micro-LED的发光强度，进而提高可见光通信的传输距离，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供，过非辐射能量转移的方法转移降低载流子寿命，进而提高Micro-LED调制带宽以增大可见光通信中信号传输速率；通过形成一定厚度的ALD(原子层沉积)进行Micro-LED的侧壁修复，提高Micro-LED的发光强度，进而增大可见光通信的传输距离

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高可见光通信中Micro-LED带宽方法，包括以下步骤：

1)根据Micro-LED芯片有源区对芯片发光波长的调控机理，构建Micro-LED芯片光学性能模型；

2)根据步骤1)构建的Micro-LED芯片光学性能模型制备微纳尺度下量子阱层露出的Micro-LED芯片；

3)在步骤2)制备的Micro-LED芯片的侧壁沉积ALD层；

4)在Micro-LED芯片上沉积量子点，使量子点和侧壁量子阱接触，从而利用非辐射能量转移机制加大载流子复合效率，降低载流子寿命。

在步骤1)中，Micro-LED有源区的侧壁结构包括环状、柱状、孔状或其他立体结构。

在步骤1)中，利用软件模拟不同规格的环状、柱状、孔状或其他立体结构下Micro-LED芯片中有源区的应力分布以及能带结构，获得不同规格的环状、柱状、孔状或其他立体结构中量子限制斯塔克效应对芯片发光波长的调控机理，然后软件仿真并优化不同规格的环状、柱状、孔状或其他立体结构下的光提取效率以及可与量子点发生接触的量子阱区域面积，从而构建Micro-LED芯片光学性能模型。

在步骤2)中Micro-LED芯片的量子阱层形成有微纳结构下的环状、柱状、孔状或其他立体结构。

步骤2)中Micro-LED芯片的制备方法包括以下步骤：

1)光刻形成图案，将设计好的图案从掩膜版上转移到目标样本上；

2)采用干蚀刻方法对Micro-LED进行蚀刻；

3)沉积金属接触层；

4)沉积量子阱层。

在步骤3)中，根据ALD层厚度对Micro-LED芯片的出光强度和载流子寿命的影响，优化ALD层的厚度。

在步骤4)中，通过对量子点溶液的喷速、喷嘴与基板的间距、喷嘴移动的速度的参数调控，在Micro-LED芯片上沉积一层均匀的量子点。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、本发明采用包括但不仅限于微纳尺度下的Micro-LED有源区环状结构，利用非辐射能量转移机制，能够大幅度降低载流子的寿命，进而提高Micro-LED的-3dB带宽；

2、本发明在Micro-LED侧壁修复过程中，优化ALD层厚度，能够提高Micro-LED的发光效率和发光强度，增强光的传输距离；

3、将本发明构建的Micro-LED应用到可见光通信中，能够大幅度提高系统的带宽，进而提高传输速率；发光强度增强后，可见光通信的传输距离相应增加。

附图说明

图1为微纳尺度下多重量子阱露出的Micro-LED芯片结构示意图；

图2为微纳尺度下Micro-LED芯片有源区侧壁形成的环状、柱状、孔状结构示意图；

图3为微纳尺度下多重量子阱侧壁沉积一定厚度ALD层的Micro-LED芯片结构示意图；

图4为微纳尺度下喷涂量子点后的Micro-LED芯片结构示意图；

图5为将Micro-LED结构作为可见光通信系统的发射光源的应用示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

参见图1，为Micro-LED芯片的的微观结构模型，该模型属于正装结构，即光的出射端在Micro-LED支柱的顶端，该结构的多重量子阱和量子点发生直接接触。

参见图2，为微纳尺度下Micro-LED有源区形成的环状、柱状、孔状结构，最大限度地保证量子点与量子阱接触到的面积，基于非辐射能量转移机制，相对于其他方式，能够实现更低的载流子寿命，进而能够得到更高的Micro-LED的-3dB带宽，最终实现更快的可见光通信速率。

参见图3，为微纳尺度下多重量子阱侧壁沉积一定厚度ALD层的Micro-LED结构，由于Micro-LED的尺度小，在芯片蚀刻过程中，往往不能忽视Micro-LED的侧壁缺陷导致的出光强度变弱的问题，进而也会影响可见光通信传输的距离，因此需在Micro-LED侧壁沉积一定厚度的ALD层；

在基于包括但不限于微纳尺度下Micro-LED环状、柱状、孔状结构中，利用侧壁修复技术沉积一定厚度的ALD层，能够降低由于侧壁缺陷与表面复合导致的漏电流增加，进而提高Micro-LED的发光强度，在可见光通信方案中，能够增强可见光通信的传输距离，然而，当利用ALD层对Micro-LED进行侧壁修复时，量子点与芯片有源区量子阱之间就会被ALD层隔开。ALD层的沉积厚度越大，量子点与量子阱的间距越大，非辐射能量转移机制的效果就越弱。如果非辐射能量转移机制在Micro-LED芯片有源区载流子复合中占据主导地位，而ALD层对芯片发光强度的提升又可能不足以弥补非辐射能量转移机制效果减弱而引发的载流子寿命未能大幅度降低，因此应该同时考虑ALD层的厚度对Micro-LED的出光强度和载流子寿命的影响，进而对可见光通信系统的传输速率和传输距离的影响。

参见图4，在Micro-LED芯片上喷涂大量的量子点，确保量子点和侧壁量子阱实现最大面积接触，利用非辐射能量转移机制加大载流子复合效率，进一步降低载流子寿命。

Micro-LED的电学性能和光学性能很大程度取决于其制作工艺，与传统的LED形成不同，由于Micro-LED是在微纳尺度下形成的单片或者阵列集成式发光芯片因此即使其材料由相同的LED晶片材料组成，如果Micro-LED制作工艺和形成环境不一样，都会导致电气和光学性能参数发生不一样的变化。

本发明实施例的制备方法包括如下步骤：

步骤一：根据包括但不限于Micro-LED有源区环状、柱状、孔状结构对芯片发光波长的调控机理，构建该结构下的Micro-LED芯片光学性能模型；

首先，利用软件模拟研究不同规格的环状、柱状、孔状结构下Micro-LED芯片中有源区的应力分布以及能带结构，探究不同规格的该结构中量子限制斯塔克效应对芯片发光波长的调控机理；然后，软件仿真并优化不同规格的该结构下的光提取效率以及可与量子点发生接触的量子阱区域面积，从而构建一整套完整的光学性能模型，为制备Micro-LED提供理论依据；

步骤二：光刻形成图案，将设计好的图案从掩膜版上转移到目标样本上；采用干蚀刻方法对基于GaN等其他Ⅲ、Ⅴ族化合物的Micro-LED进行蚀刻；沉积金属接触层；在P-GaN和N-GaN沉积多层量子阱，在量子阱层形成包括但不仅限于微纳结构下的环状、柱状、孔状结构，形成如图1和图2所示的微纳尺度下量子阱层露出的Micro-LED芯片结构；

步骤三：如图3所示，在Micro-LED芯片的侧壁沉积一定厚度的ALD层；

模拟仿真不同的侧壁受损深度对微纳尺度下Micro-LED芯片有源区环状、柱状、孔状结构对载流子浓度分布的影响；利用APSYS等相关软件模拟当侧壁缺陷引发表面陷阱产生时，在不同浓度的表面陷阱影响下，芯片有源区能带结构的改变以及载流子注入效率的变化；分析不同厚度ALD层的制备对Micro-LED芯片的光学参数和电学参数的影响，探索不同厚度ALD层对改善Micro-LED芯片发光效率的实际应用效果，从而优化ALD层厚度，达到既能提高Micro-LED的发光强度，又能在基于非辐射能量转移机制的条件下，大幅度降低载流子的寿命的目的；

步骤四：如图4所示，包括但不限于微纳尺度下Micro-LED环状、柱状、孔状结构的芯片结构与普通Micro-LED不同，因此需对其进行定制化的高精度量子点喷涂工艺研发；通过对量子点溶液的喷速以及喷嘴与基板的间距、喷嘴移动的速度等工艺参数进行优化，精确地在指定Micro-LED芯片上沉积一层均匀的量子点，确保量子点与芯片侧壁量子阱之间实现接触，以利用偶极子耦合增强非辐射能量转移机制对载流子的复合作用。

如图5所示，将本实施例制备的基于非辐射能量转移机制下的Micro-LED芯片结构作为可见光通信系统的发射光源，测量可见光通信通信系统的带宽和传输距离，研究结果显示Micro-LED芯片能够大幅度提高系统的带宽，可见光通信的速度和距离都有增加。

本发明的原理如下：

1、在整个可见光通信系统中，Micro-LED光源做为可见光通信系统的发射端，对整个系统的信号传输速率起着决定性的作用。Micro-LED调制带宽的公式见公式(1)：

Micro-LED在-3dB截止频率主要与载流子的寿命τ以及注入电流密度J有关，其中B为一常数、q为基本电荷、d为有源层厚度。τ主要取决于量子阱中载流子的生命周期，载流子的生命周期越短，则单位时间内放出的光子数量越多，τ越小，信道容量越大；

非辐射能量转移机制与传统的荧光转换不同，非辐射能量转移机制是通过偶极子之间的耦合作用得以实现，这种作用是通过非辐射共振形式的方式一次性直接完成的，不涉及光子的吸收、转换、再发射过程，避免了这些间接过程带来的能量损失。因此非辐射能量转移机制能够增强载流子的复合效率，从而减小公式(1)中的载流子的寿命τ；

为了利用非辐射能量转移机制提升载流子的复合效率，就必须使量子点与芯片有源区量子阱之间的空间距离尽可能的小。由于Micro-LED孔状结构仅在孔壁内侧暴露出芯片量子阱，而本发明采用包括但不仅限于微纳尺度下的Micro-LED芯片有源区的环状结构则可在环壁的内外两侧均露出量子阱，所以与量子点直接接触的芯片量子阱表面积就得以增大，非辐射能量转移机制的占比就可以显著提高。

2、由于在Micro-LED量子阱的沉积过程中，由于势垒的作用往往会产生量子限制史塔克效应(Quantum-confined Stark effect)，即二维激子即使在较高的纵向电场的作用下仍不发生分离，可以观察到激子吸收边的红移，这一现象在高温下也能观察到；因此在本发明中，为了最大限度限制因量子限制史塔克效应导致的Micro-LED相关电参数性能降低，最终导致Micro-LED的-3dB带宽降低，采用包括但不限于微纳尺度下Micro-LED有源区的环状结构，调整其有源区电激发量参数大小，同时由于应力释放弱化量子限制史塔克效应，从Micro-LED发出的波长也会相应减小，表明有更大的频带调节范围，当侧面量子点与之接触的量子阱发生接触时，施主(量子阱)的发射波长与受主(量子点)的吸收波长的重叠程度不断加大，两者的交互面的不断加大，施主与受主的最小距离也有不断缩小的趋势，当两者的距离足够近时，非辐射能量转移机制起到主导作用，载流子复合作用加强，寿命降低，Micro-LED的-3dB带宽相应增加，可见光通信的传输速率大幅度增加。

3、随着Micro-LED极限尺寸的不断缩小，在芯片制备蚀刻过程中，往往会造成沉积层侧壁损伤，进而导致Micro-LED漏电流的增大，影响到Micro-LED的发光强度；为了修复Micro-LED侧壁损伤，在侧壁损伤出沉积一定厚度ALD层，提高可见光通信系统的光源发光强度，进而提高可见光通信的传输距离；

ALD沉积层在一定程度上增加了Micro-LED的发光强度，有利于可见光通信系统的传输距离进一步增大，但是沉积的厚度过大，则会导致非辐射能量转移机制的能力减弱，载流子的寿命减小效果不明显，不利于可见光通信系统传输速率的增加；因此优化一定厚度的ALD层，保证既能不削弱非辐射能量转移，提高Micro-LED的-3dB带宽；又能弥补Micro-LED有源区侧壁缺陷，提高发光强度。

在本实施例中，当没有进行ALD侧壁修复时，在喷涂量子点之前(尚未发生非辐射能量转移)，芯片量子阱中载流子的生命周期τ为3.03纳秒；在喷涂量子点之后(发生了非辐射能量转移)，芯片量子阱中载流子的生命周期τ降低到1.02纳秒，根据公式(1)，发生非辐射能量转移之后的Micro-LED的调制带宽是原来的3倍；当进行ALD侧壁修复时(侧壁厚度为1纳米)，在喷涂量子点之前(尚未发生非辐射能量转移)，芯片量子阱中载流子的生命周期τ为2.28纳秒；在喷涂量子点之后(发生了非辐射能量转移)，载流子的生命周期τ降低到1.06纳秒；由公式(1)可知，进行ALD侧壁修复，发生非辐射能量转移之后的Micro-LED的调制带宽也有所增加；同时也可知沉积一定厚度ALD层以进行侧壁修复会在一定程度上削弱非辐射能量转移机制，但是进行ALD侧壁修复后的发光效率是没有进行ALD侧壁修复的1.43倍。

Claims (7)

1.一种提高可见光通信中Micro-LED带宽方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据Micro-LED芯片有源区对芯片发光波长的调控机理，构建Micro-LED芯片光学性能模型；

2)根据步骤1)构建的Micro-LED芯片光学性能模型制备微纳尺度下量子阱层露出的Micro-LED芯片；

3)在步骤2)制备的Micro-LED芯片的侧壁沉积ALD层；

4)在Micro-LED芯片上沉积量子点，使量子点和侧壁量子阱接触，从而利用非辐射能量转移机制加大载流子复合效率，降低载流子寿命。

2.如权利要求1所述的一种提高可见光通信中Micro-LED带宽方法，其特征在于：在步骤1)中，Micro-LED有源区的侧壁结构包括环状、柱状、孔状或其他立体结构。

3.如权利要求2所述的一种提高可见光通信中Micro-LED带宽方法，其特征在于：在步骤1)中，利用软件模拟不同规格的环状、柱状、孔状或其他立体结构下Micro-LED芯片中有源区的应力分布以及能带结构，获得不同规格的环状、柱状、孔状或其他立体结构中量子限制斯塔克效应对芯片发光波长的调控机理，然后软件仿真并优化不同规格的环状、柱状、孔状或其他立体结构下的光提取效率以及可与量子点发生接触的量子阱区域面积，从而构建Micro-LED芯片光学性能模型。

4.如权利要求1所述的一种提高可见光通信中Micro-LED带宽方法，其特征在于：在步骤2)中Micro-LED芯片的量子阱层形成有微纳结构下的环状、柱状、孔状或其他立体结构。

5.如权利要求1或4所述的一种提高可见光通信中Micro-LED带宽方法，其特征在于步骤2)中Micro-LED芯片的制备方法包括以下步骤：

1)光刻形成图案，将设计好的图案从掩膜版上转移到目标样本上；

2)采用干蚀刻方法对Micro-LED进行蚀刻；

3)沉积金属接触层；

4)沉积量子阱层。

6.如权利要求1所述的一种提高可见光通信中Micro-LED带宽方法，其特征在于：在步骤3)中，根据ALD层厚度对Micro-LED芯片的出光强度和载流子寿命的影响，优化ALD层的厚度。

7.如权利要求1所述的一种提高可见光通信中Micro-LED带宽方法，其特征在于：在步骤4)中，通过对量子点溶液的喷速、喷嘴与基板的间距、喷嘴移动的速度的参数调控，在Micro-LED芯片上沉积一层均匀的量子点。

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