一种可见光通信LED芯片及可见光通信方法、探测结构与流程

本发明涉及发光二极管，更为具体地说，涉及一种可见光通信led芯片及可见光通信方法、探测结构。

背景技术：

1、可见光通信以 led芯片（发光二极管）为核心辐射器件，其调制带宽直接决定通信速率，gan基led芯片因宽禁带、高光效、高稳定性成为可见光通信的主流选择。传统单色可见光通信用led芯片采用单量子阱或多量子阱外延结构，以蓝宝石或sic为衬底，外延层依次包括缓冲层、n型gan、有源层、p型gan，通过通断键控（ook）实现信号调制，即高电流强光表征逻辑 1，电流降为0的无光状态表征逻辑0，是目前可见光通信领域的主流器件方案。

2、然而传统单色可见光通信led调制带宽低，常规带宽≤50mhz，开关延迟大，上升时间≥10ns、下降时间≥8ns，因表征逻辑0需深度关断使有源层载流子完全排空，重新导通时需从0开始积累载流子，产生严重的上升延迟，关断时需 ka/cm²级淬灭电流强行抽走载流子，仍存在载流子复合滞后，下降延迟问题无法根本解决。

3、现有高速led带宽优化方案功耗高、器件可靠性低，ka/cm²级反向淬灭电流大幅增加驱动功耗，且易造成有源层电损伤，降低器件使用寿命，该类方案仅通过外部电路或局部结构优化，未改变led有源层载流子动力学特性，带宽提升幅度有限。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种可见光通信led芯片及可见光通信方法、探测结构，其能够降低可见光通信开关延迟，为可见光通信高速调制奠定基础。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种可见光通信led芯片，其包括：

4、衬底；

5、位于所述衬底一侧表面的外延叠层；所述外延叠层包括依次层叠的n型半导体层、有源层和p型半导体层；

6、所述有源层包括层叠设置的高能级发光层和低能级陷阱层，所述低能级陷阱层位于所述高能级发光层朝向衬底和背离衬底两侧中的至少一侧；

7、所述有源层在第一电流密度下所述高能级发光层辐射第一光线；所述有源层在第二电流密度下载流子被所述低能级陷阱层的陷阱捕获，高能级发光层不发光，以保持有源层载流子浓度；所述第一电流密度大于所述第二电流密度；

8、通过交替调节所述有源层的电流密度，使所述有源层交替处于第一电流密度和第二电流密度实现可见光通信信号切换。

9、可选地，所述高能级发光层包括第一量子阱层和第一势垒层构成的超晶格结构；所述第一量子阱层包括inxga(1-x)n，0＜x＜1；

10、所述低能级陷阱层包括第二量子阱层和第二势垒层构成的超晶格结构；所述第二量子阱层包括inyga(1-y)n，0＜y＜1，y＞x；

11、所述高能级发光层的第一量子阱层和第一势垒层的周期数为n，n＞1，且n为整数；

12、所述低能级陷阱层的第二量子阱层和第二势垒层的总周期数为m，m≥1且m为整数，且m小于n。

13、可选地，所述第一量子阱层中in组分x的取值范围为0.15≤x≤0.25；在第一电流密度下，所述高能级发光层辐射的第一光线为绿光或蓝光；

14、所述第二量子阱层中in组分y的取值范围为y≥0.3。

15、可选地，所述第一电流密度的取值范围为500 a/cm2-1000 a/cm2，包括端点值。

16、所述第二电流密度的取值范围为0.05 a/cm2-0.2a/cm2，包括端点值。

17、可选地，所述低能级陷阱层层叠于所述高能级发光层朝向所述衬底的一侧；

18、所述有源层还包括inzga(1-z)n过渡层，inzga(1-z)n过渡层位于所述低能级陷阱层和所述高能级发光层之间；沿远离所述低能级陷阱层的方向，inzga(1-z)n过渡层的in组分z由y线性渐变至x。

19、可选地，所述低能级陷阱层层叠于所述高能级发光层背离所述衬底的一侧；

20、所述可见光通信led芯片还包括位于所述p型半导体层和所述低能级陷阱层之间的p型电子阻挡层。

21、可选地，在所述高能级发光层朝向所述衬底一侧和背离所述衬底一侧都设置有所述低能级陷阱层；

22、靠近所述n型半导体层的所述低能级陷阱层的第二量子阱层的in组分为y1，y1＞x；

23、靠近所述p型半导体层的所述低能级陷阱层的第二量子阱层的in组分为y2，y2＞y1，y2＞x。

24、可选地，当所述低能级陷阱层层叠于所述高能级发光层朝向所述衬底的一侧时；所述第二量子阱层的总厚度取值范围为10nm-15nm，包括端点值；

25、当所述低能级陷阱层层叠于所述高能级发光层背离所述衬底的一侧时，所述第一势垒层和第二势垒层的厚度小于或等于10nm；

26、当所述高能级发光层朝向衬底的一侧和背离衬底的一侧都设置有所述低能级陷阱层时，所述第一势垒层和第二势垒层的厚度小于或等于10nm，单层所述第二量子阱层的厚度取值范围为1nm-2nm，包括端点值。

27、本发明还提供了一种可见光通信方法，其包括：

28、提供上述任意一项所述的一种可见光通信led芯片；交替调节所述有源层的电流密度，使所述有源层交替处于第一电流密度和第二电流密度；

29、提供一探测结构；所述探测结构包括光输入模块、滤波模块和pd探测模块；

30、光输入模块接收所述可见光通信led芯片发出的光，并传输至所述滤波模块；

31、滤波模块接收光输入模块传输来的光，并进行滤波使得仅第一光线能够通过所述滤波模块进入所述pd探测模块；

32、所述pd探测模块探测到第一光线则通信信号表征逻辑为1，所述pd探测模块未探测到第一光线则通信信号表征逻辑为0。

33、本发明还提供了一种探测结构，其包括光输入模块、滤波模块和pd探测模块；

34、所述光输入模块用于接收上述任意一项所述可见光通信led芯片发出的光，并将光线传输至所述滤波模块；

35、所述滤波模块具有光通道和位于所述光通道内的滤光片；所述光输入模块接收的光传输至所述光通道内，所述滤光片仅允许所述第一光线穿过光通道进入pd探测模块；

36、所述pd探测模块用于探测第一光线。

37、相较于已有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：

38、基于可见光通信led芯片的上述设置，有源层通过构建高能级发光层和低能级陷阱层的复合结构，实现单芯片内通过调控电流密度切换可见光通信信号。低电流密度（第二电流密度）下，载流子被低能级陷阱层优先捕获，高能级发光层不发光，通过载流子陷阱效应保持有源层载流子浓度，避免载流子完全排空；高电流密度下（第一电流密度）低能级陷阱层中的陷阱被载流子完全占据，多余载流子溢出至高能级发光层辐射第一光线。通过交替调节有源层的电流密度，使有源层交替处于第一电流密度和第二电流密度实现可见光通信。可见光通信led芯片开关时间为ns级别，因此完全关断耗费的时间对于可见光通信led芯片而言很长；该可见光通信led芯片不需要彻底关闭，只需要切换至较低的电流密度，不需要等待可见光通信led芯片从小电流密度到彻底关闭的时间，减少下降时间；同时依托载流子陷阱效应，在低电流密度下有源层中保持有一定含量的载流子浓度，低能级陷阱层带来的载流子有效保留，从物理层面减少了载流子重建量；该可见光通信led芯片大幅缩短开关延迟，突破传统led的调制带宽瓶颈；无需 ka/cm² 级淬灭电流，降低器件功耗与电损伤风险，提升可靠性。