高调制频率GaN基单芯片无荧光粉白光LED的研究

With the progress of GaN-based white light-emitting diodes (LED), the visible light communication (VLC) technology is a rapidly growing research area due to the potential for simultaneous use of the light sources for lighting and data transmission. However, the commercial phosphorescent white LEDs has worse modulation property which will limit the data transmission rate of VLC system using such LED light source. As a result, to fabricate new white LED with high modulation frequency is in great demand. The purpose of this project is to realize the phosphor-free single-chip white LED with high modulation frequency using GaN-based irregular multiple quantum well (IMQW) structures. First, the theoretical model and simulation program will be established for the optical and modulation properties of GaN-based IMQW structure. Using the simulation program the influence of design parameter on optical and modulation properties of GaN-based IMQW structure will be analyzed. From the analysis result the design parameter will be adjusted jointly in order to obtain GaN-based IMQW structure with good optical and modulation properties for lighting and communication application. Finally, the phosphor-free single-chip white LED with high modulation frequency using GaN-based IMQW structure will be fabricated experimentally.

随着GaN基白光LED逐渐趋于成熟并进入实用化阶段，可以与照明功能同时实现的可见光通信技术迅速受到广泛关注。然而由于目前应用的照明LED调制频率低，导致可见光通信系统无法进行高速率传输，现在急需探索能够同时满足照明和通信需求的新型LED光源。本项目拟采用GaN基非规则多量子阱结构，实现具有高调制频率的单芯片无荧光粉白光LED。首先建立分别用于分析GaN基多量子阱结构光谱特性和调制特性的理论模型和数值计算程序。应用该仿真程序分析各种设计参数对GaN基非规则多量子阱结构的光谱和调制特性的影响规律。根据这些影响规律并结合实验，对设计参数进行联合优化，得出既具有优良色温及显色指数，同时也具有较快响应时间的GaN基非规则多量子阱结构的设计方案。实验研制基于所得设计方案的具有高调制频率的GaN基单芯片无荧光粉白光LED。

本项目主要研究采用 GaN 基非规则多量子阱结构，来实现具有高调制速率的单芯片无荧光粉白光 LED。首先建立了用于分析 GaN 基多量子阱结构发光特性和量子输运特性的理论模型和数值计算程序。并应用建立的仿真程序分析了不同GaN基量子阱结构的发光特性和量子输运特性。之后给出了应用于高调制速率单芯片白光LED的GaN 基非规则多量子阱结构的设计方案。最后对采用GaN基非规则量子阱结构的高调制速率单芯片白光LED进行了实验试制。.1）GaN基量子阱结构发光特性的理论模型和数值计算程序的建立；.建立了基于kp方法的能够分析任意复杂结构GaN基非规则基多量子阱光谱特性的数学模型，该模型考虑应变、阱间耦合、价带子带混合以及极化效应的影响，并编写相应的数值计算程序。.2）GaN基量子阱结构量子输运特性的理论模型和数值计算程序的建立；.建立了基于Wigner函数的针对GaN基量子阱结构载流子输运特性分析的理论模型，并给出相应的数值仿真实现。.3）不同GaN量子阱结构发光特性的分析；.应用基于kp方法的理论模型得到的仿真程序，分析了不同结构参数下GaN量子阱结构的发光特性，并总结了这些参数对发光特性的影响规律。.4）不同GaN量子阱结构量子输运特性的分析；.应用基于Wigner函数的理论模型得到的仿真程序，分析了不同结构参数下GaN量子阱结构的量子输运特性，并总结了这些参数对输运特性的影响规律。.5）应用于高调制速率单芯片白光LED的GaN基非规则多量子阱结构设计；.应用前面的仿真程序，给出了应用于具有高调制速率的双色和三色白光LED的非规则GaN基量子阱结构设计方案。.6）高调制速率GaN基单芯片无荧光粉白光LED的试制。.为了验证采用GaN基不规则多量子阱能够实现具有高调制速率的单芯片白光LED，采用不规则量子阱结构的白光LED进行了实验研制并进行相关测量。