调制带宽增强的可见光通信光源及其制备方法与流程

本公开涉及照明光源领域，尤其涉及一种调制带宽增强的可见光通信光源及其制备方法。

背景技术：

可见光通信是一种在白光led技术上发展起来的新兴的短距离自由空间光无线通信技术，白光led作为可见光通信的光源，具有功率高、节约能源等优点，衡量可见光通信系统性能的一个重要指标是调制带宽，它是信道容量和传输速率的决定性因素，带宽越大说明工作性能越好，而影响调制带宽的两个因素一个是rc时间，一个是载流子自发辐射寿命。

一般获得白光led的方式是通过氮化镓基蓝光led芯片结合钇铝石榴石荧光粉，激发获得黄光，从而混合得到白光，这种方法获得的白光led光效很低，而且存在很大的能量损耗；另一种常见的方法是基于三基色混合的单芯片白光led，这种led的优点是光效高且显色性好，但现有的单芯片白光led常采用三基色量子阱垂直堆叠的结构来获得白光，这种结构虽然可以直接通过材料外延获得，但是短波长的光出射时会被长波长量子阱再次吸收，不能实现对三种颜色的比例有效地灵活地控制。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种调制带宽增强的可见光通信光源及其制备方法，以缓解现有技术中的白光led光效低，而且存在很大的能量损耗，三基色的三种颜色比例不能灵活有效地控制等技术问题。

(二)技术方案

在本公开的一个方面，提供一种调制带宽增强的可见光通信光源，包括：外延片10；n型结构层20，位于所述外延片10上；三基色有源区30，位于所述n型结构层20上，为阵列排布的纳米柱，所述纳米柱之间填充绝缘物质；透明导电层40，位于所述三基色有源区30上；p电极50，位于所述透明导电层40上；以及n电极60，位于未被所述三基色有源区30覆盖的n型结构层20表面。

在本公开实施例中，所述外延片10为基于蓝宝石、硅、氮化镓、碳化硅或玻璃衬底的氮化镓、氮化铝或铝镓氮外延片。

在本公开实施例中，所述三基色有源区30包括：红色有源区、绿色有源区以及蓝色有源区，所述三基色有源区30的红色有源区、绿色有源区以及蓝色有源区的纳米柱阵列排布形状包括：矩形、圆形或者扇形。

在本公开实施例中，所述纳米柱直径为100nm-500nm，纳米柱之间间距为50nm-1000nm。

在本公开实施例中，所述三基色有源区30面积占n型结构层20上表面面积的3/4或以上，但未全覆盖n型结构层20上表面。

在本公开实施例中，所述三基色有源区30的纳米柱之间填充的绝缘物质包括：sog或pmma。

在本公开实施例中，所述透明导电层40的制备材料包括：ito、石墨烯或者氧化锌中的一种。

在本公开的另一方面，还提供一种调制带宽增强的可见光通信光源的制备方法，用于制备以上任一项所述的调制带宽增强的可见光通信光源，所述调制带宽增强的可见光通信光源的制备方法，包括：步骤a：在外延片上生长n型结构层；步骤b：在步骤a所生长的n型结构层上制备量子阱层及p型结构层；步骤c：将步骤b所制备的量子阱层、p型结构层以及n型结构层的与所述量子阱层、p型结构层相对应的区域制成纳米柱阵列；步骤d：在步骤c所制备的纳米柱的间隙填充绝缘介质，完成三基色有源区的制备；以及步骤e：制备p电极和n电极，完成调制带宽增强的可见光通信光源的制备。

在本公开实施例中，所述步骤c包括：步骤c1：在n型结构层表面制备绝缘层；以及步骤c2：将步骤b所制备的量子阱层、p型结构层以及n型结构层的与所述量子阱层、p型结构层相对应的区域制成纳米柱阵列。

在本公开实施例中，所述步骤e包括：步骤e1：在步骤d所制备的三基色有源区上制备透明导电层；步骤e2：在步骤e1所制备的透明导电层的表面制备p电极；步骤e3：去掉未被三基色有源区覆盖的n型氮化镓上的绝缘层后制备n电极。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开调制带宽增强的可见光通信光源及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)采用分区外延，可以灵活控制三基色的颜色配比；

(2)纳米柱阵列结构有利于载流子高效快速的复合，使光源具有更高的光效；

(3)减小了减少载流子复合寿命，提高了调制带宽。

附图说明

图1为本公开实施例调制带宽增强的可见光通信光源的侧视结构示意图。

图2为本公开实施例调制带宽增强的可见光通信光源的俯视结构示意图。

图3为本公开实施例调制带宽增强的可见光通信光源的制备方法流程图。

具体实施方式

本公开提供了一种调制带宽增强的可见光通信光源及其制备方法，通过将三基色有源发光区制备成纳米柱阵列，一方面既增加了发光效率，而且三基色能够充分混合，另一方面可以增强载流子辐射复合速率，降低载流子自发辐射寿命，从而获得带宽增加的光源。

单色的纳米柱阵列led光源的调制带宽相比传统平面led带宽可以增加一个数量级，达到几百兆赫兹。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种调制带宽增强的可见光通信光源，图1为所述调制带宽增强的可见光通信光源的侧视结构示意图，图2为所述调制带宽增强的可见光通信光源的俯视结构示意图，结合图1和图2所示，所述调制带宽增强的可见光通信光源，包括：

外延片10；

所述外延片10采用的衬底材料包括：蓝宝石、硅、氮化镓、碳化硅或玻璃中的一种；

所述外延片10为基于上述衬底材料的氮化镓、氮化铝或铝镓氮外延片。

n型结构层20，位于所述外延片10上；

所述n型结构层20包括：n型氮化镓；

进行n型掺杂的掺杂剂包括：硅烷；

三基色有源区30，位于所述n型结构层20上，为阵列排布的纳米柱；由p型结构层32、量子阱层31及以及部分n型结构层20刻蚀为纳米柱阵列排布，所述纳米柱之间填充绝缘物质；

所述p型结构层包括：p型氮化镓；

所述纳米柱直径为100nm-500nm，纳米柱之间间距为50nm-1000nm。

所述三基色有源区30包括：红色有源区、绿色有源区以及蓝色有源区。所述纳米柱之间填充的绝缘物质包括：sog(spinonglass，旋涂玻璃)或者pmma(polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)；

所述三基色有源区30的红色有源区、绿色有源区以及蓝色有源区的纳米柱阵列排布形状包括：矩形、圆形或者扇形；由相对应波段的量子阱结构构成，其各自的发光面积可根据自定义形成具有不同色温和显色指数的白色光；通过自组装或者纳米压印技术在有源区形成的纳米柱阵列则可以增加发光效率，增加光提取效率并且使三色光充分混合，同时减少载流子复合寿命，增加调制带宽，在本公开实施例中，三基色有源区30内部通过自组装或者纳米压印技术将量子阱31、p型结构层32及n型结构层的与所述量子阱层、p型结构层相对应的区域刻蚀成纳米柱阵列。p型结构层的掺杂剂为二茂镁。为满足电极的需要，需要将纳米柱阵列进行平坦化，在纳米柱阵列的间隙填充sog或者pmma实现平坦化，再通过刻蚀将p型结构层露出。

透明导电层40，位于所述三基色有源区30上；

所述透明导电层40的制备材料包括：ito(indiumtinoxides，氧化铟锡)、石墨烯或者氧化锌中的一种。

p电极50，位于所述三基色有源区30表面的透明导电层40上；

n电极60，位于未被所述三基色有源区30覆盖的n型结构层20表面；

在本公开中，还提供一种调制带宽增强的可见光通信光源的制备方法，用于制备以上所述的调制带宽增强的可见光通信光源，图3为本公开实施例调制带宽增强的可见光通信光源的制备方法流程图。在本公开实施例中，以n型结构层20为n型氮化镓、p型结构层32为p型氮化镓为具体实施例做示例性说明，如图3所示，所述调制带宽增强的可见光通信光源的制备方法，包括：

步骤a：在外延片10上生长n型结构层20；

其中所述外延片10为基于衬底为蓝宝石、硅、氮化镓、碳化硅或玻璃的氮化镓、氮化铝或者铝镓氮外延片，以生长n型氮化镓为具体实施例，其中n型氮化镓的n型掺杂剂为硅烷。

步骤b：在步骤a所生长的n型结构层20上制备量子阱层31及p型结构层32；

在步骤a所生长的n型氮化镓层上表面的一部分进行第一次光刻，在光刻形成的窗口区进行mocvd外延生成量子阱层31及p型结构层32，在本公开实施例中，以制备p型氮化镓层为具体实施例进行说明，使得在n型氮化镓层上表面形成第一块有源区；然后在上表面的另一部分进行第二次光刻和外延量子阱层及p型氮化镓层，形成第二块有源区，继续在上表面的又一部分第三次光刻和外延量子阱层及p型氮化镓层，形成第三块有源区；三块有源区的面积不小于n型结构层上表面面积的3/4，但又不能全覆盖，需要为后续制备n型结构层(n区)的电极预留空间。

有源区的材料组分分别对应三基色的波段，所述量子阱层31为多量子阱结构，由铟镓氮和氮化镓堆叠形成，周期为3-8个量子阱。p型氮化镓的p型掺杂剂为二茂镁。

步骤c：将步骤b所制备的量子阱层、p型结构层以及n型结构层的与所述量子阱层、p型结构层相对应的区域制成纳米柱阵列；包括：

步骤c1：在n型结构层20表面制备绝缘层；以及

进行光刻，在未被量子阱层31及p型结构层32覆盖的n型氮化镓上表面蒸镀一定厚度的绝缘层，绝缘层材料包括：二氧化硅或者氮化硅，厚度为10nm-500nm；

步骤c2：将步骤b所制备的量子阱层、p型结构层以及n型结构层的与所述量子阱层、p型结构层相对应的区域制成纳米柱阵列。

采用自组装或者纳米压印等工艺将在步骤b所制备的量子阱层31、p型氮化镓层以及部分n型氮化镓刻蚀成纳米柱阵列。自组装工艺形成纳米柱阵列指的是通过自组装形成金属纳米颗粒或者二氧化硅小球或者ps小球，然后通过刻蚀工艺形成纳米柱阵列；刻蚀深度应达到n型氮化镓层上表面下10nm-1000nm；所述纳米柱直径为100nm-500nm，间隙为50nm-1000nm。

步骤d：在步骤c所制备的纳米柱阵列间隙填充绝缘介质，完成三基色有源区30的制备；

在纳米柱阵列的间隙填充绝缘介质，使纳米柱阵列上表面实现表面平坦化，在纳米柱阵列的间隙填充的绝缘介质为sog或者pmma。

步骤e：制备p电极50和n电极60，完成调制带宽增强的可见光通信光源的制备；包括：

步骤e1：在步骤d所制备的三基色有源区30上制备透明导电层40；

利用刻蚀的工艺，使p型氮化镓的上表面露出，并在p型氮化镓上表面蒸镀透明导电层40，透明导电层40的制备材料包括：ito、石墨烯或者氧化锌；

步骤e2：在步骤e1所制备的透明导电层40的表面制备p电极50；

步骤e3：去掉未被三基色有源区覆盖的n型氮化镓上的绝缘层后制备n电极60。

去掉未被三基色有源区30覆盖的n型氮化镓上的绝缘层露出n型氮化镓，在n型氮化镓表面制备n电极60；

所述n电极60和p电极50的制备材料包括：铬、铂、金、铝、钛或其组合。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开调制带宽增强的可见光通信光源及其制备方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种调制带宽增强的可见光通信光源及其制备方法，通过将三基色有源区制备成成区块的纳米柱阵列，一方面既增加了发光效率，而且三基色能够充分混合，另一方面可以增强载流子辐射复合速率，降低载流子自发辐射寿命，从而获得带宽增加的光源。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。