面向可见光通信的表面等离激元增强GaN基LED

To achieve the higher speed visible light communication, we need to improve the 3dB modulation bandwidth of the GaN-based LEDs. Currently, the most popular way to improve the 3dB modulation bandwidth is to reduce the carrier lifetime by increasing the current density. However, this method has very limited ability to improve bandwidth, and will cause inevitable luminous efficiency reduction, leading to the increased BER and shortened transmission distances. This project will fabricate high performance surface plasmon enhanced GaN-based LED to improve 3dB modulation bandwidth and luminous efficiency simultaneously, by using the remarkable field enhancement property of the surface plasmon. On this basis, we will study the carrier transport mechanism and carrier recombination mechanism, explore the high frequency electrical properties of surface Plasmon enhanced GaN-based LED, and the interaction between current density and modulation bandwidth and luminous efficiency. Our project will provide physical guidance and solutions for high speed and high efficiency visible light communication.

为实现更快的可见光通信，需要提高GaN基LED的3dB调制带宽。目前普遍采用的提高3dB调制带宽的方法是通过提高工作电流密度的手段降低载流子寿命，但是这一方法对调制带宽的提升能力有限，而且造成不可避免的发光效率降低，导致可见光通信的误码率提高传输距离缩短。本项目拟设计制备出高性能表面等离激元增强GaN基LED，利用表面等离激元出色的场增强特性同时提高调带宽和发光效率，并在此基础上，系统研究表面等离激元增强GaN基LED特有的载流子输运机制、载流子复合机制，探索表面等离激元增强GaN基LED的高频电学特性，以及调制带宽和发光效率随关键外部参数电流密度的变化规律，为实现高速高效可见光通信提供物理指导和解决方案。

为实现更快的可见光通信，需要提高GaN基LED的3dB调制带宽。目前普遍采用的提高3dB调制带宽的方法是通过提高工作电流密度的手段降低载流子寿命，但是这一方法对调制带宽的提升能力有限，而且造成不可避免的发光效率降低，导致可见光通信的误码率提高传输距离缩短。表面等离激元增强LED可以同时解决调制带宽和发光效率的问题。本项目首先制备了基于横向耦合表面等离激元增强的纳米结构LED，研究了载流子分布对自发辐射速率增强的影响，发现了纳米结构横向尺寸和purcell因子有直接对应关系，发现了PL表征方法中325nm激光器相对于405nm激光器更能有效的揭示表面等离激元增强效应；以表面等离激元共振为基础，本项目还研究了表面等离激元共振吸收对LED发光效率的影响，探索了常用金属Ag和Al的表面等离激元散射效率，发现可见光波段Ag更适合作为表面等离激元增强LED的载体；本项目进一步研究了更有效的表面等离激元耦合方式——横向GaN多孔结构LED，提出了横向多孔GaN内嵌入金属纳米线可以同时实现电学性能无损的近距离强耦合的表面等离激元增强LED，利用电镀实现了超长金属纳米线嵌入多孔GaN复合材料。最后，作为拓展工作，本项目利用表面等离激元增强吸收原理实现了能够识别波长的热电子探测器，为高速高紧凑可见光通信技术提供基础；还专门针对白光LED可见光通信的蓝光探测器，利用表面等离激元共振技术实现了透射波长灵活可调的可见光滤波片，为可见光通信系统的高效高速发光和高效探测开拓了新思路。