可见光通信中高性能光电器件的结构设计与制备

作     者：陈淑琦 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李国强

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：可见光通信 LED 可见光探测器 InGaN MSM PD 

摘      要：随着移动数据流量需求的日益增长及LED绿色照明的快速发展,可见光通信技术成为一种新兴无线通信方式。基于LED响应时间短、高速调制的特性,可见光通信系统可兼顾照明和通信的双重功能,无需申请频谱资源,无电磁干扰,应用前景可观。然而可见光通信也面临诸多限制其发展的问题,高性能光电器件的研制是其中之一,提高LED的光效、带宽与研制可见光探测器对实现高性能可见光通信具有重要意义。本论文分析了可见光通信的基本原理及LED和探测器的工作特性,对LED和可见光探测器进行了器件结构设计。一方面,采用Al InGaN电子阻挡层(Electron blockin layer,EBL)结构提高了GaN基LED的带宽和光效;另一方面,通过优化电极结构增强了InGaN可见光探测器对可见光的灵敏度,最后实现了可见光通信系统的搭建。主要研究内容如下:1、采用AlInGaN EBL替代传统LED结构中的AlGaN EBL,提高了LED调制带宽与光电性能。通过构建LED仿真模型以及实验验证,研究了不同In、Al组分比的Al InGaN EBL对LED能带结构、极化场、载流子密度量子效率与发光效率的影响。发现高In、Al组分能有效降低极化电荷密度、缓解极化效应,增大LED内载流子浓度,缩短载流子的差分寿命从而能提高LED的带宽,当In/Al=0.5时,AlInGaN EBL结构LED性能最优,具有AlInGaN EBL结构的LED与具有AlGaN EBL常用结构的LED相比,其-3dB的带宽增大了近10%,光输出功率提高了31%,插座效率提高了24%。2、PIN光电二极管(PIN-Photodiode,PIN PD)和金属-半导体-金属光电探测器(metal-semiconductor-metal photo detector,MSM PD)的特性研究与结构优化设计。当I层厚度为1.5μm时,InGaN基PIN PD的响应度较高,450nm处响应度能超过0.3A/W,同时拥有较快的响应速度;而MSM PD比PIN PD响应更快。基于MSM高速响应与平面结构优势,采用MOCVD外延获得质量改善的InGaN,制备并测试了不同叉指电极的InGaN MSM PD,发现随着指间距的减小,MSM PD的暗电流与响应度均增大,其中指宽10μm、指距5μm的InGaN MSM PD响应性能最好,在415nm处峰值响应度为0.111A/W,450nm处响应度0.096A/W,实现了蓝光灵敏的可见光探测器研制。3、采用正交频分复用OFDM技术设计可见光通信系统传输方案,通过模拟前端的电路设计与实现,搭建了可见光通信系统,实现了室内可见光通信的图像传输。