同步上下行光照明通信单芯片器件及制造方法和应用

本发明涉及通信领域，半导体光电器件及其制造领域，特别涉及在发光的同时能够进行光探测的，具有高调制带宽的单芯片上下行同步通信光电器件及其制造方法。

背景技术：

随着现代科学技术的发展，人类已经进入信息化时代，无处不在的通信网络以及通信终端使得信息交互越来越便捷高效，人们对于信息化社会的需求也越来越多。在这其中，人们对于数据获取量即数据流量获取的速率的要求尤为明显。目前主流的通信应用技术已经开始从第四代移动通信技术(4thgenerationmobilenetworks，4g)发展至第五代移动通信技术(5thgenerationmobilenetworks，5g)，5g通信服务与4g通信服务相比最大的优点是它能提供1000倍于4g通信服务的系统容量，这使得其能实现高达10gbps的数据传输速率，极大的提高了电子设备获取数据的速率，满足人们对于数据流量的需求，同时也使得iot(internetofthings)技术的普及成为现实。但是目前由于通信频谱即射频频谱(radiofrequency，rf)的资源有限，传统的无线电通信已经无法满足5g以及iot技术对于通信的需求，人们急需要一种新的通信技术与传统无线通信结合，一起将新时代信息技术推向一个新的应用的高度。

无线光通信技术利用部分紫外、可见光与红外波段的光以及相关的信号调制技术，将信息通过光的形式进行传递，由于其波段范围处于空白频谱，不用经过授权就可以使用，极大的弥补了射频通信中频谱资源有限的问题，并且无线光通信拥有非常高的带宽，安全性高，保密性好以及成本低的优点。据统计，有超过80％的无线通信的发生场所集中在室内环境中，例如办公室，家，飞机场，火车站和医院等，与照明系统能够结合的无线可见光通信技术逐渐成为无线光通信技术中的核心技术。利用发光波段在380nm到780nm的光来承载信息的无线光通信技术被称为无线可见光通信(visible-light-communication，vlc)，也被称为li-fi(lightfidelity)。它能够实现在室内照明的同时进行高速通信的功能，相比于传统的电通信它具有以下几方面的优势：

1.频谱宽度大，资源丰富无需授权即可使用。相比于传统的射频通信，可见光通信的频谱是射频频谱的一万多倍，无需担心频谱资源短缺的问题。

2.通信节点安装简便，密度高，成本低。相比于无线局域网(wireless-fidelity,wi-fi)来说，其需要安装多个无线路由器才能实现信号的覆盖，而且信号覆盖的质量与无线路由器的数量有关，而可见光通信依靠的是灯光，只需要改造照明用led即可实现通信功能，成本大大降低，且灯光的密度远高于无线电信号密度，极大的增强了通信的质量。

3.无电磁辐射，极大的丰富可用场所。由于无线电通信自身所具有的电磁辐射缺点，许多场合例如飞机，核工业场所，医院等都会对无线电通信有严格的约束，而可见光由于没有任何电磁辐射，且安全可靠，可以适用于电磁敏感场所。

4.安全性高，信息不易泄露。由于可见光的穿透力非常的差，只要有任何阻挡物就不能进行信号传递，故外界截取室内的可见光信号非常的困难，极大的提高了通信的安全以及可靠性。

无线可见光通信的概念最早由日本庆应义塾大学的nakagawa教授课题组在2000年首先提出，他们仿真了利用白光led照明灯作为信息发送端的无线通信系统，实现了传输速度约为10mbps的可见光通信。而后该课题组于2001年成功利用正交频分复用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，ofdm)技术成功的将信息的传输速率提升至400mbps。在该成果发表两年后，日本在2003年正式成立vlcc可见光通信联盟，正式将可见光通信系统化，组织化，该联盟也迅速的成为了国际组织。2004年nakagawa教授正式公布了利用发光led进行无线通信的无线光通信技术。由于vlc其具有的巨大的应用潜力，从2006年开始大量的科研工作者开始进入可见光通信领域，从信号调制发射端，信号传输过程，信号解调接收端三大方面开始研究vlc并且取得了许许多多的成果，2009年日本中川实验室将可见光通信系统的通信速率成功提升至100mbps，仅仅过了一年时间，在2010年，德国的弗劳霍夫研究所的一个课题组成功的将通信速率提升至了513mbps，这在当时来说是几倍于普通电通信的速率。2012年，超并行可见光通信项目正式启动，该项目旨在探索超高速vlc通信方案，并且预测可见光通信的最高速率能达到惊人的3tbps。2014年，爱丁堡大学的dobrosla利用基于gan材料的led，成功的将调制带宽增加至3db，基于此led开发的vlc系统的通信速率达到了3gbps。

vlc通信系统的组成比较简单，主要由：信源，信号调制器，信号解调器，信道，d/a转换电路，a/d转换电路，发光二极管(light-emitting-diode，led)，可见光探测器和驱动电路组成。信号首先通过信道进行相对应的编码，而后经过信号调制器调制成相对应的数字信号，其通过数模转换电路输出为模拟信号，经过驱动电路转换后驱动发光led发出带有信息的不同频率的光，由于这种频率的光的明暗闪烁不能被肉眼察觉，这样就实现了在照明的同时能够进行通信的功能。可见光探测器在接收到光信号后，将其转换为电信号，并且通过其后的信号处理系统，将调制后的光信号解调为信源信号，从而完成信号的接收。

vlc的迅猛发展与其潜在的巨大应用前景息息相关，但是其本身仍有一个问题仍待解决：即vlc系统光通信器件分立，芯片集成度不高。在可见光通信中，主要用到两种可见光通信器件，分别为led器件以及可见光探测器。这两种器件的结构独立，导致信号接收端与发射端两端分立，需要设计不同的电路进行驱动，极大的增加了通信系统的复杂性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在解决vlc系统光通信器件分立，芯片集成度不高的问题，提供一种可同步进行白光照明及上、下行双向、双通道光通信功能的单芯片器件，该器件实现了lifi功能的单芯片集成，将成为未来白光通信的新型且简洁的器件结构，同时提供一种该单芯片光电器件的制造方法和应用。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种同步上下行光照明通信单芯片器件，其芯片的结构由下至上包括衬底，调制掺杂半导体复合层、超薄介质层和透明导电层，还包括设于调制掺杂半导体复合层上的第一电极和设于透明导电层上的第二电极；其中所述调制掺杂半导体复合层包括n或p型掺杂的gan层以及设于所述n或p型掺杂的gan层之上的多量子阱；

所述同步上下行光照明通信单芯片器件具有白光发射通道和不可见光探测通道；所述白光发射通道具有照明及下行信号调制发射功能；所述不可见光探测通道具有上行调整信号接收功能；所述不可见光探测通道与白光发射通道可在单芯片上进行光的独立平行传输，并且实现上行电信号的接收和下行电信号的发送；其中所述上行电信号为不可见光探测通道接收到的带有可被识别的第一特征的电信号，所述下行电信号为白光发射通道中发送的带有可被识别的第二特征的电信号。

可选的，所述上行调整信号是不可见光信号，所述上行调整信号接收功能是所述芯片将所述不可见光信号转化为所述上行电信号。

可选的，所述下行信号调制发射功能是所述芯片在外加电压驱动下将所述下行电信号转换为可见光信号。

可选的，所述第一特征和第二特征是不同的信号频率。

进一步优选，所述下行信号调制发射功能，是驱动该芯片将不同频率的电信号转换为不同频率的光信号，从而实现下行信号调制发射。其发光原理为外加电压的作用下，电子从透明导电层穿过超薄介质层，与调制掺杂半导体复合层中的处于不同能级的载流子复合，产生复合光子，发出不同波长的光，实现电致发光。

所述的不同频率的信号包括：低频信号，中频信号以及高频信号。

所述照明功能，是指芯片能够在外加正向电压时发射高亮度的白光从而实现白光照明的功能。

所述的不可见光探测通道的光探测方式，是指入射光激发芯片结构中的电子发生能带跃迁产生空穴电子对，产生光生载流子，在内建电场或外加电场或两种类型电场共同作用下实现分离，产生光电流，实现光探测。所述的上行调整信号接收功能，是将不同波段的光信号转化为电信号，所述的不同波段光信号包括红外波段和紫外波段。

所述的可在单芯片上进行光的独立平行传输，是指单芯片具有在白光发射通道工作的同时，不可见光探测通道也能同时进行工作的能力。其原理为当外加从透明导电层到调制掺杂半导体复合层的正向电压时，位于导带上的电子发生跃迁至调制掺杂半导体复合层中位于不同能级的杂质能级和量子阱中，电子空穴发生复合并且发射出处于不同波段的光子。与此同时，由于外部入射光照射到芯片上，会产生光生电流，改变芯片外部端口电流大小，从而实现在发光的同时进行光探测。

进一步优选的，芯片能够在白光发射通道与不可见光探测通道工作时，将不可见光探测通道接收到的电信号与白光发射通道中待发送的电信号进行调制耦合为一个电信号或者单独分离为两路电信号进行信号的传输。

可选的，所述超薄介质层为宽禁带半导体材料，包括二维过渡金属硫化物、二维六方氮化硼、sio2、aln中的一种或多种，厚度为3～20nm。

可选的，所述透明导电层包括铜纳米线、银纳米线、合金纳米线、石墨烯、掺铟氧化锡、碳纳米管中的一种或多种。

可选的，所述量子阱是gan/ingan多量子阱，ingan阱层的中间1/3厚度区域进行了n掺杂或p掺杂。

一种上述同步上下行光照明通信单芯片器件的制造方法，包括以下步骤：

1)于衬底上生长调制掺杂半导体复合层；

2)铺设与调制掺杂半导体复合层接触的第一电极，形成欧姆接触；

3)于调制掺杂半导体复合层上形成超薄介质层；

4)于超薄介质层上形成透明导电层；

5)于透明导电层上形成第二电极。

可选的，所述调制掺杂半导体复合层的生长工艺包括cvd生长工艺，mbe，水热法，mocvd，溶液法生长工艺等；利用转移或者直接生长的方法形成超薄介质层；利用压印或者转移的方法形成透明导电层；使用喷涂、压印、蒸镀、溅射中的一种或者多种方法形成第二电极；选择功函数与调制掺杂半导体复合层材料功函数相匹配的金属或者合金，并与调制掺杂半导体复合层形成欧姆接触，形成第一电极。

可选的，步骤1)中，所述调制掺杂半导体复合层的生长工艺包括以下步骤：于衬底上生长一层p型gan层或n型gan层；然后生长若干个周期的gan/ingan多量子阱，其中各ingan阱层的中间1/3生长时间进行n掺杂或p掺杂；生长结束后进行退火。

可选的，利用分子束外延(mbe)，mocvd生长工艺外延生长量子阱层。利用高温扩散、离子注入、生长停顿掺杂、δ掺杂中的一种或者多种方法，在调制掺杂半导体复合层中掺入能够改变半导体材料特性的元素；掺杂元素包括：镓元素(ga)，氮元素(n)，镁元素(mg)，铍元素(be)，银(ag)、pt(铂金)、铬(cr)、铁(fe)、铒(er)元素。

一种全双工可见光无线通信系统，包括无线通信模块、存储单元、数据处理单元以及上述同步上下行光照明通信单芯片器件；无线通信模块用于发送带有第一特征的数据至数据处理单元，数据处理单元用于对带有第一特征的数据进行调制编码并转化为下行电信号，所述同步上下行光照明通信单芯片器件用于将所述下行电信号转化为带有第一特征的可见光信号；且，所述同步上下行光照明通信单芯片器件用于将携带第二特征的不可见光信号转化为上行电信号，数据处理单元用于对上行电信号进行解码分析得到带有第二特征的数据并通过无线通信模块发送。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种双向通信及照明的单芯片，实现了同时双向通道的共存，其一通道为白光发射通道，具有照明及下行信号调制发射功能；其二平行通道为不可见光探测通道，具有上行调整信号接收功能。双通道信号可在单芯片上进行光的独立平行传输，并且实现上下行电信号的调制耦合及单独剥离。实现了lifi功能的单芯片集成，将成为未来白光通信的新型且简洁的器件结构，具有巨大的应用价值。

附图说明

图1是一实施例的同步上下行光照明通信单芯片器件的芯片结构示意图；

图2是一实施例的同步上下行光照明通信单芯片器件的工作机理示意图；

图3是一实施例的同步上下行光照明通信单芯片器件的光探测响应谱；

图4是一实施例的同步上下行光照明通信单芯片器件的光探测it曲线；

图5是一实施例的同步上下行光照明通信单芯片器件的的i-v图；

图6是一实施例的同步上下行光照明通信单芯片器件的发光时进行探测的探测电流i-t图；

图7是一实施例的同步上下行光照明通信单芯片器件的el图；

图8是一实施例的全双工可见光无线通信系统链路示意图；

图9是一实施例的全双工可见光无线通信系统的通信示意图，其中，(a)-(d)分别为单片机接收到00a，01b，10c和11d信码时，单片机lcd屏幕上所显示的接收到的信码显示图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。

参考图1所示，本发明实施例提供了一种可同步进行白光照明及上、下行双向、双通道光通信功能的单芯片器件，包括：

功能性蓝宝石衬底104；

功能性蓝宝石衬底上的gan调制掺杂半导体复合层103，所述的gan调制掺杂半导体复合层103为经过掺杂和特殊生长工艺形成叠加量子阱103-1及n型或p型gan层103-2的复合层；

所述gan调制掺杂半导体复合层103上的超薄介质层102为宽禁带半导体材料h-bn；

所述超薄介质层102上的透明导电层101为透射窗口覆盖可见光及紫外光的复合纳米材料，其允许调制掺杂半导体复合层所生成的光透过；

与所述透明导电层接触的第二电极100，以及与所述调制掺杂半导体复合层103接触的第一电极105；

在本发明实施例中，双向通信及照明的单芯片器件为mis结构的光电转换器件，以宽禁带半导体材料作为超薄介质层102，表面功函数不同的超细铜纳米线作为透明导电层101，经过掺杂和特殊生长工艺形成叠加量子阱103-1的p型gan层103-2的复合层作为调制掺杂半导体复合层103，通过调节量子阱的结构以及掺杂元素的浓度，使得载流子能够从透明导电层101隧穿至调制掺杂半导体复合层103与处于不同能级的空穴复合，发出白光，并且能够在外部紫外光的刺激下产生光生载流子，改变芯片两端的电流大小，从而同时实现紫外光探测的功能，其机理示意图如图2所示。

在一些实施例中，衬底104可以为硅衬底，还可以是氮化镓衬底，蓝宝石衬底，碳化硅衬底，氧化锌衬底中的一种。在本发明实施例中，衬底选用蓝宝石。

超薄介质层102形成于调制掺杂半导体复合层103与透明导电层101之间，起到绝缘以及势垒的作用，本发明实施例中，超薄介质层为宽禁带半导体材料，可以为二维过渡金属硫化物(tmd)、二维六方氮化硼(h-bn)、sio2、aln中的一种或多种来形成超薄介质层。在本发明实施例中，二维h-bn为超薄介质层材料，合适的超薄介质层厚度可以使光电器件具有较大的工作电流。

调制掺杂半导体复合层103为发光以及探测层，起到关键性的作用，该层决定了发光的光波长以及探测的光波长，并且得益于此层，能够实现在发光的同时进行光探测的功能。在本发明实施例中，调制掺杂半导体复合层为p型gan与gan/ingan多量子阱层的复合层。

透明导电层101形成在超薄介质层102之上，起到提供电子以及向超薄介质层注入电子的作用，根据结构的需求，需要选择透光性较好的导电材料，并且可以选择单层至多层的堆叠结构，可供选择的材料可以为银纳米线、银纳米线、合金纳米线、石墨烯以及掺铟氧化锡(ito)、碳纳米管中的一种或多种。优选的，本发明实施例中选择核壳结构的铜纳米线。

在本发明实施例中，与调制掺杂半导体复合层103连接的第一电极100为超小电阻的欧姆电极，采用的是和调制掺杂半导体复合层103具有相近功函数的电极材料，根据需求电极材料可以为金属、合金或其他高导电性材料中的一种，从而能够确保电子的高效注入。

在本发明的一个优选的实施例中，衬底104采用蓝宝石，调制掺杂半导体复合层103选择掺mg并且具有ingan/gan量子阱的gan复合层，超薄介质层102采用二维六方氮化硼，透明导电层采用表面包裹了不同材料的cu纳米线，第一电极105采用ni-au合金，第二电极100采用ag胶。在该优选实施例中，光电器件的开启电压在5v左右(如图5所示)，载流子在调制掺杂半导体复合层处复合发光，发射的是宽谱白光(如图7所示)。并且在外加电压时，能够实现对于365nm的紫外光的窄带探测(如图3所示)。经过i-t测试(如图4所示)，在不外加电压时，对于紫外光的探测具有比较高的响应度。并且在外加正向电压时(如图6所示)，在芯片发射白光时，对于紫外光的探测同样具有比较高的响应度。

以上对本发明实施例的光电器件进行了详细的描述，此外，本发明还提供了上述led器件的制造方法，以下将结合具体的实施例对其制造方法进行详细的描述。

在本实施例中，调制掺杂半导体复合层采用经过掺杂和特殊生长工艺形成量子阱结构的n型或p型gan材料，超薄介质层采用二维六方氮化硼，透明导电层采用核壳结构的cu纳米线网络。

在具体的制备经过掺杂和特殊生长工艺形成量子阱结构的p型gan材料的调制掺杂半导体复合层时，可以采用金属有机物化学气相沉积(metal-organicchemicalvapordeposition，mocvd)的方法。具体的，可以在蓝宝石衬底上利用mocvd生长掺mg的p型gan，而后在mocvd继续外延生长的过程中，使用三甲基镓(tmga)或三乙基镓(tega)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为in源，二茂镁(cp2mg)作为p型掺杂剂，高纯n2或h2或二者的混合气体作为载气，生长五个周期的gan/ingan多量子阱有源发光区，其中ingan阱层厚度为3nm，阱层3nm内中间1nm区域进行mg掺杂，最后再生长10nm的mg掺杂p型的gan电子阻挡层。如图1所示，在生长调制掺杂半导体复合层时，多量子阱层的周期性生长的时间为60s，其中垒层的生长时间为40s，阱层的生长时间为18s，生长阱层的18s中的中间6s通入400sccm的二茂镁(cp2mg)源进行mg掺杂。在生长结束后，在800℃、n2的氛围下进行高温退火30min，以激活其p型导电性。

在具体制备二维六方氮化硼材料的超薄介质层时，可以采用化学气相沉积(cvd，chemicalvapordeposition)的方法。

具体的，使用化学气相沉积(cvd)的方法在铜衬底上生长本征的二维六方氮化硼，利用高温氛围下硼烷氨的热解效应在cvd管炉中产生前驱物气体，而后通过在管道中的载气，将前驱物气体输运到高温反应区，铜衬底放在高温反应区中，从而使二维六方氮化硼生长在铜衬底上。此外，在前驱物气体产生之前，还可以通入一定比例的氢气和氩气的混合气体对铜衬底进行退火处理，去除铜衬底表面的氧化物以及杂质。在一个具体的实施例中，管道中的载气是氩气以及氢气按照2:1的气流量即20sccm和10sccm通过高温反应区从而实现对于铜衬底的热退火；接着，通入气体比例为3:1即18sccm和6sccm的氩气和氢气气体，将前驱物气体输运至高温反应区中，从而在铜衬底上生长出六方氮化硼，在反应结束后继续在管路中通入比例为2:1即20sccm和10sccm的氩气与氢气的混合气体，保护反应区中的样品不被氧化直至降温至室温。

将所述超薄介质层转移至所述调制掺杂半导体复合层上。在本实施例中，可以采用湿法转移的方法，即利用pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)辅助薄膜转移方法。具体的，将所需要转移的大小的样品裁剪下来，并且正面朝上置于小玻片上，并且用胶带将其四周都封住，而后在其表面旋涂上一层pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)作为保护层，而后利用过硫酸铵溶液将铜衬底溶解掉，而后将其转移至所述调制掺杂半导体复合层上。再利用丙酮溶液将pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)层去除，完成转移。

在具体制备的制备透明导电层时，可以采用液相法。具体的，将特定浓度的二水合氯化铜(cucl2·h2o)作为反应源，乙酰丙酮镍(ni(acac)2)为还原剂，油胺作为还原剂、分散剂以及结构导向剂。将上述三种物质放入三口烧杯中混合，并且将三口烧杯放在恒温加热的磁力搅拌器内，固定好整个装置并且进行密封。将上述装置在80℃时加热30min，而后升温至180℃加热4h，从而制备出铜纳米线。

将所述透明导电层转移至所述超薄介质层上。在本实施例中，采用的是抽滤的方法。具体的，首先将铜纳米线经过超声均匀的分布在正己烷溶液中，然后通过抽滤装置将铜纳米线均匀的分布在滤纸上，然后利用压印章将其均匀的压印在所述超薄介质层上完成转移，之后利用退火工艺将铜纳米线表面残留的有机物去除，完成整个的转移工作。

至此，形成了基于本发明实施例的可同步进行白光照明及上、下行双向、双通道光通信功能的单芯片器件。

参考图8所示，本发明实施例提供了一种全双工可见光无线通信系统，包括：

信号处理系统；

与所述信号处理系统相连接的基于本发明实施例的双向通信及照明的单芯片器件，该器件用于白光下行通信以及紫外线上行通信。

所述信号处理系统由无线通信模块，存储单元，数据处理单元(微型计算机)组成。

在本发明实例中，双向通信及照明的单芯片得益于其能够在发出白光的同时又能探测到紫外线这一特性，实现了白光下行通信与紫外线上行通信的共同进行，从而实现全双工的可见光通信功能。

如图8所示，为全双工的可见光通信功能的示意图，对于白光下行通信部分而言，后台服务器端将所要发送的信源a通过无线通信模块发送至微型计算机上，而后微型计算机将所要发送的数据进行调制编码，而后转化为带有信源a信息的电信号，驱动基于本发明实施例的双向通信及照明的单芯片发出带有信源a信息的白光信号，实现白光通信功能。

对于紫外线上行通信而言，基于本发明实施例的双向通信及照明的单芯片将带有信宿b的，具有特定频率的紫外线光信号转换为携带信宿b信息的电信号，而后通过微型计算机对该电信号进行解码分析，得出所对应的数据，而后通过无线通信模块将其发送至后台服务器中进行存储。至此实现了全双工可见光无线通信功能。

在一些实施例中，微型计算机可以为stm32f4单片机，还可以是stm32f3单片机，stm32f7单片机和51单片机中的一种。在本实施例中，微型计算机选用stm32f4单片机。

在一些实施例中，无线通信功能模块可以为蓝牙模块，3g无线通信模块，4g无线dtu模块，gprs模块中的一种。在本实施例中，无线通信功能模块选用4g无线dtu模块。对于实施例中所述的全双工可见光无线通信系统进行了测试，具体的，在器件发射白光信号的时候，在外部紫外光通信系统的辅助下，外部紫外光灯发出带有00a，01b，10c，11d信码的光信号，而后本实施例中所述的器件接收所述四个不同的信号码，经过信号处理系统处理后，显示在单片机的lcd屏幕上。显示情况如图9(a-d)所示。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种同步上下行光照明通信单芯片器件及制造方法和应用，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。