提升响应频率的可见光通信发射器件的制作方法

本发明涉及可见光通信领域，具体涉及一种提升响应频率的可见光通信发射器件。

背景技术：

可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，可见光谱没有精确的范围，一般情况下人眼睛可以感知电磁波波长400nm～700nm，正常视力的人眼对波长约为555nm电磁波最为敏感，这种电磁波处于光学频谱的绿光区域。

可见光通信(visible light communication)技术是随着白光发光二极管(light emitting diode，LED)照明技术的发展而兴起的无线光通信技术。与传统的有线传输相比，可见光通信具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优点，因此在世界范围内得到了广泛关注和研究。

LED在各个区域的研究和使用也日趋广泛。但是，LED在通讯领域内始终难以实现较大的突破。主要原因包括：

一、由于LED的自身的电容，在较高频率(>40MHz)的输入电流情况下，会产生容抗阻碍电流，使得输出信号的频率衰减，导致器件的响应频率较低。

二、图形化衬底对光线的吸收较为严重。

三、单个LED芯片难以实现较大的输出功率。

以上原因LED的响应频率和光取出效率都较低，不能满足通信的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种提升响应频率的可见光通 信发射器件，采用的技术方案如下：

一种提升响应频率的可见光通信发射器件，包括衬底，所述衬底上设置了电感线圈模块，所述电感线圈模块上设有由若干个LED芯片串联而成的LED芯片矩阵，所述电感线圈模块与LED芯片矩阵串联，所述电感线圈模块的电感值L满足：L＝1/(ω²C)，其中C为器件中由于LED芯片所带来的电容，ω为频率，所述电感线圈模块包括一个以上电感线圈，所述电感线圈的组成材料由内而外依次为Cr、Al、Cr、Ti、Ag。

本发明将LED芯片串联连接组成LED芯片阵列，实现了较大的输出功率，弥补了单颗型光电器件照明能力不足的问题，同时也能实现均匀的发光和较好的散热。

螺旋电感的加入可以减少LED芯片中容性电路产生的阻抗，起到补偿电容提高器件的响应频率、滤波和保护电路的作用。

电感线圈采用多层材料制成，最外层为反射率极高的银，LED芯片正极区域发出的光到达衬底后经过银的反射可以反射到正极出光区域，增加了器件的光取出效率。

作为优选，所述电感线圈为螺旋状，其横截面为梯形，梯形的下底角为45度。

电感线圈采用45度梯形结构，可更好地使得LED芯片正极区域发出的光到达衬底后经过银的反射可以反射到正极出光区域，进一步增加了器件的光取出效率。

作为优选，所述电感线圈模块包括四个电感线圈，四个电感线圈排列成2×2 的矩阵，四个电感线圈两两串联再并联。

作为优选，所述LED芯片依次包括位于衬底保护层上的缓冲层、产生电子的n型层、多量子阱层、电子阻挡层、p型层、透明导电电极层和p形电极层。

作为优选，所述P形电极层为多环p形电极层，由外至内分别为纳米银材料p电极、ZnO材料p电极和Al材料p电极。

作为优选，所述Al材料p电极的厚度为2～5nm。

所述多环回形p电极的制备方法包括如下步骤：

(1)采用PECVD设备蒸镀一层金属Al，并利用化学蚀刻方法，使其形成环状矩形电极。

(2)采用MOCVD(金属有机气相沉积)设备，蒸镀氧化锌薄膜，利用干法或者湿法刻蚀技术，将其刻蚀成矩形环状氧化锌电极。

(3)采用PECVD蒸镀或MOCVD技术生长纳米银，并且使其形成纳米银颗粒结构，进而形成纳米银P电极。

“纳米银”是“银纳米颗粒”的简称或俗称，指由银原子组成的颗粒，其粒径在1～100nm范围。LED芯片的p型电极用三环透光率较高的导电材料制作，由内环到外环分别是金属Al、氧化锌和纳米银。金属Al电极导电性很好，而且2～5nm厚的金属Al内圈环形电极也具有90％的透光率，氧化锌中圈环形电极具有99％的透光率，并且导电性能较好，而纳米银颗粒状外圈环形电极具有比较好的导电性和透光率，可以提升表面出光效率，用三环透光率较高的导电材料制作P电极，可以使器件的表面出光效率大大提高。

作为优选，所述电感线圈模块与LED芯片矩阵之间设有衬底保护层。

作为优选，所述衬底保护层为Al₂O₃保护层。

在衬底上制作完螺旋状的电感线圈之后，继续蒸镀一层Al₂O₃蓝宝石材料，使得Al₂O₃材料覆盖在螺旋状电感线圈之间的中间部分，这样既可以增加螺旋电感线圈每一圈之间的绝缘性，保护螺旋电感，又可以达到图形化衬底的作用。

作为优选，所述衬底为蓝宝石衬底。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明将LED芯片串联连接组成LED芯片阵列，实现了较大的输出功率，弥补了单颗型光电器件照明能力不足的问题，同时也能实现均匀的发光和较好的散热。

2、螺旋电感的加入可以减少LED芯片中容性电路产生的阻抗，起到补偿电容、滤波和保护电路的作用。

3、电感采用将银蒸镀在最外层，可以将传播到电感面上的光反射到器件正面的发光区域，同时电感采用45°的梯形斜坡结构，可以更好地将传播到电感面上的光反射到器件正面的发光区域，提高光取出效率。

4、芯片的P型电极层采用由外至内分别为纳米银材料p电极、ZnO材料p电极和Al材料p组成的多环回形结构，增加了载流子的注入效率和光取出效率。

5、电感线圈与芯片阵列之间设置了Al₂O₃保护层，可以保护电感。

附图说明

图1是本发明实施例的可见光通信发射器件的顶视图；

图2是本发明实施例的电感线圈的横截面示意图；

图3是本发明实施例的电感线圈模块的结构示意图；

图4是本发明实施例的可见光通信发射器件的剖面结构示意图；

图中，1、衬底螺旋电感串联到正面芯片的孔，2、图形化衬底，3、芯片的负极区域，4、器件正电极，5、串联芯片间的导线，6、芯片的正极发光区域，7、纳米银材料p电极，8、ZnO透明材料p电极，9、Al材料p电极，10、芯片的n电极，11、发射器件的负电极，12、并联各个电感的导线，13、串联各个电感的导线，15、螺旋电感。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例：

如图1所示，一种提升响应频率的可见光通信发射器件，包括衬底，所述衬底上设置了电感线圈模块，所述电感线圈模块上设有由若干个LED芯片串联而成的LED芯片矩阵，所述电感线圈模块与LED芯片矩阵串联，所述电感线圈模块的电感值L满足：L＝1/(ω²C)，其中C为器件中由于LED芯片所带来的电容，ω为频率，所述电感线圈模块包括一个以上电感线圈，所述电感线圈的组成材料由内而外依次为Cr、Al、Cr、Ti、Ag。

电感线圈采用多层透光率高的材料制成，最外层为反射率极高的银，LED芯片正极区域发出的光到达衬底后经过银的反射可以反射到正极出光区域，增加了器件的光取出效率。

如图1所示，本实施例包括16个LED芯片，16个LED芯片相互串联并排列成4×4的矩阵。

单颗芯片电压约为3V，导通电流约为5～30mA，那么器件的总电压8×3V＝24V。单个LED芯片的电容大约在2000pF～4000pF，因此，对于可见光发射器件中，16芯片串联的情况下，器件总电容约为100pF～300pF。

LED芯片串联螺旋电感模块后，此电路的总阻抗为

其中，R为器件本身的固有电阻，C为器件中由于LED芯片所带来的电容，L为本实施例中用来与电路总电容相匹配的电感。

首先，当电路没有串联螺旋电感时，在电路的输入信号为U_in＝U₀sin(ωt)时，电路的总电流I为

电容的吸收的功率为：

整理得：

当可见光通信器件的总电容为100pF～300pF，且工作频率在1MHz～100MHz，ωC为10^-4～10^-2数量级，另外LED导通时,电阻R只有几十欧，所以P_C可以近似简化成P_C＝-U_in²ωC，当频率ω从1MHz变化到100MHz，|P_C|也变大，说明电容吸收的功率越来越大，即输出信号随频率增大而衰减。实践发现，在不串联匹配电感的情况下，当频率达到40MHz后，可见光通信器件的输出信号的增加 随频率的增加会发生衰减。

在电路中串联螺旋电感，同样假设电路的输入信号为U_in＝U₀sin(ωt)，电路的总电流

电容吸收的功率为：P_c＝I²Z_c，化简可得

同理可得新加入的电感的吸收功率为

当电感与电容实现完美匹配时，有P_C+P_L＝0，化简可得L＝1/(ω²C)。

此时电容和电感吸收的总功率P＝P_L+P_C＝0。即电容电感相互之间完美匹配，电容和电感之间相互交换能量，输入的功率全部为电阻吸收，此时电路在相应频率时将不会有损耗，即抑制了输出信号在的衰减，器件衰减时的频率将会变大，提高了LED作为可见光通信器件的响应速率。

所述电感线圈为螺旋状，其横截面为梯形，梯形的下底角为45度。

电感线圈采用45度梯形结构，如图2所示，当正极区域发出的光向下射入时，光到达图2中的ab段，ab段中的银反射层会将光反射到cd段，cd段会继续将入射光按照原入射角度相反方向反射回正极发光区域，增加了正极区域的出光量。

如图3所示，所述电感线圈模块包括四个电感线圈，四个电感线圈排列成2×2的矩阵，四个电感线圈两两串联再并联。

为了使电感能够排布在所有芯片的下面，本实施例采用四个大小为320μm×320μm电感，先两两串联起来再并联的2×2电路。

对于单个LED芯片，其电容为约3000pF，那么，当16个LED相串联时，串联电路中的总电容大约为200pF，在40MHz匹配时，需要匹配的电感大小为78nH。根据维勒(Wheeler)方程式，螺旋电感计算公式：

其中，μ₀＝4π×10^-7H/m，N为线圈匝数，K为与布局相关的系数(方形环绕，K₁＝2.34，K₂＝2.75)，d_avg＝(d_in+d_out)/2，ρ＝(d_in+d_out)/(d_out-d_in)为立体方形环绕电感的内宽，d_out为立体方形环绕电感的外宽)。

因此，当电感排布为2×2时，电感外宽为320μm，内宽为0，为了得到78nH的电感，电感线圈匝数约25～26匝，由于理论计算与实际情况可能存在差异，因此，选用最接近78nH的25匝。由于电感的制作是通过曝光显影蚀刻等工艺制作而成，金属宽度的精度有限，一般最小尺寸为0.1μm，本实施例中，螺旋线圈外宽为320μm，内宽为0μm，梯形金属线高度为2.5μm，上底宽为0.4μm，下底宽为5.4μm，间距为1μm。

如图4所示，所述LED芯片依次包括位于衬底保护层上的缓冲层、产生电子的n型层、多量子阱层、电子阻挡层、p型层、透明导电电极层和p形电极层。

所述p形电极层为多环p形电极层，由外至内分别为纳米银材料p电极、ZnO材料p电极和Al材料p电极。

所述多环回形P电极的制备方法包括如下步骤：

(1)采用PECVD设备蒸镀一层金属Al,并利用化学蚀刻方法，使其形成环状矩形电极。

(2)采用MOCVD(金属有机气相沉积)设备，蒸镀氧化锌薄膜，利用干法或者湿法刻蚀技术，将其刻蚀成矩形环状氧化锌电极(3)采用PECVD蒸镀或MOCVD技术生长纳米银，并且使其形成纳米银颗粒结构，进而形成纳米银P电极。

“纳米银”是“银纳米颗粒”的简称或俗称，指由银原子组成的颗粒，其粒径在1～100nm范围。

所述电感线圈模块与LED芯片矩阵之间设有衬底保护层。

所述衬底保护层为Al₂O₃保护层。

在衬底上制作完螺旋状的电感线圈之后，继续蒸镀一层Al₂O₃蓝宝石材料，使得Al₂O₃材料覆盖在螺旋状电感线圈之间的中间部分，这样既可以增加螺旋电感线圈每一圈之间的绝缘性，保护螺旋电感，又可以达到图形化衬底的作用。

本实施例中，所述衬底为蓝宝石衬底。