[发明专利]利用表面等离激元增强LED光通信器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种利用表面等离激元增强LED光通信器件，在InGaN外延片上形成贯穿介质层、p型GaN层，深至电子阻挡层的阵列式纳米柱结构，所述纳米柱之间填充有金属纳米颗粒或纳米柱侧壁上镀有金属膜。并公开了其制备方法。本发明利用金属表面等离激元效应提高LED光源效率、增强光通信的调制宽带，经由PVD蒸镀、高温热处理、RIE、ICP技术制备纳米结构，使得二次蒸镀金属共振波长与多量子阱的发光波长相匹配，配合寿命谱测试结果修正金属周期、种类、尺寸、浓度等，最终将等离激元耦合状态下的载流子降低至皮秒量级。本方法可有效提高LED光源效率、增强光通信的调制宽带，是一种工艺相对简单、成本低且可靠性高的方法。

技术领域

本发明涉及一种利用表面等离激元增强LED光通信器件及其制备方法，属于可见光通信领域。

背景技术

随着智能设备的日益增长，数据传输的需求将会呈爆炸式增长，然而接入网的传输速率仍然是“瓶颈”问题。基于射频和蜂窝网的传统无线网络的传输效率低，建设与维护成本高，将无法满足未来庞大的通信需求。面对日益增长的通信需求，基于LED的可见光无线通信技术(Visible Light Communication,VLC技术)具备得天独厚的优势。作为一种新型无线通信方式，VLC技术具有高速率、抗干扰、节能、安全性高等优点。该技术利用室内照明的白光LED作为通信基站担载数据传输功能，实现信息从服务器到客户终端的高速传输，能够为终端用户提供便捷的高速无线通信服务，从而解决高速信息网中的“最后一百米”问题。而且该技术的部署成本和维护成本也比传统无线基站要低很多。因此VLC技术已然成为下一代通信领域中不可或缺的技术之一。

作为VLC光源的LED是光信号产生的基础，也是制约数据传输速率与质量的核心因素。中科院半导体所的陈雄斌教授基于1瓦的荧光LED实现了双向100M的无线上网传输系统。南京邮电大学的王永进教授采用基于GaN自支撑衬底的LED实现了芯片与波导一体化，提高了信号的传输质量。但是目前常规的荧光LED受制于荧光粉材料的响应速率慢，其调制带宽(f3dB)只有几兆赫兹(MHz)，滤掉黄光波段后的蓝光的调制带宽也只有十几MHz，复旦大学郭睿倩教授通过黄光量子点材料将调制带宽提高至42MHz。目前在LED调制带宽受限的情况下要提高通信速率需要依靠调制技术、信道模型和编译码算法等。例如：德国的海因里希-赫兹研究所的Jelena等人采用波分复用技术(WDM)和离散多音频调制方式(DMT)在带宽为15-20MHz的LED上实现了数据传输速率为803Mbps的通信系统，使用RGB三色组合LED光源将带宽提升到180MHz，三通道通信速率就超过了3Gbps；复旦大学迟楠教授采用荧光LED和正交频分复用技术(OFDM)实现了225Mbps的数据速率，采用RGB三色LED组合和WDM将数据速率提升到4.22Gbps。牛津大学研究组通过MIMO-OFDM技术将荧光LED系统的数据速率提升至1Gbps。尽管有很多高阶的调制方法，但是复杂的带宽拓展和高速调制需要足够的调制和编码设备作为硬件支撑。这导致VLC技术成本上升，难以在无线通信系统的市场竞争中取得优势。由此可见，光源的调制带宽从根本上制约着系统的通信速率，是目前限制VLC发展的主要因素，因此，开发高效率、低功耗、高调制带宽的LED光源势在必行。

发明内容

本发明的目的是克服现有的光通信中LED光源效率低，低调制带宽不足等问题，提供一种利用金属表面等离激元效应提高光源效率、增强光通信的调制宽带的光通信LED。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种利用表面等离激元增强LED光通信器件，其结构自下而上包括：

一衬底；

一生长在衬底上的n型GaN层；

一生长在n型GaN层上的In_xGa_1-xN/GaN量子阱有源层；

一生长在量子阱有源层上的电子阻挡层；

一生长在电子阻挡层上的p型GaN层；