新型氮化物LED器件量子效率与调制带宽的协同优化及调控机理研究

GaN-based LED semiconductor lighting has a strong application perspective in visible light communication, but the co-optimization of quantum efficiency and modulation frequency for nitride LED is the key factor, which restrict the breakthrough. In order to solve this problem, in this project, we are going to grow and fabricate novel nitride-based LED using MOCVD and a variety of nano-processing methods, combined with simulation, systematically investigate: The influence of InGaN/GaN low dimensional quantum structure on the carrier distribution, transport and recombination mechanism to improve the carrier injection and recombination rate; Based on nanostructure, fabricate different localized surface plasmon (LSP) LED and investigate the formation mechanism of SP, resonance energy matching, energy conversion and coupling process to enhance the Purcell effect and carrier radiative recombination coefficient; In addition, in order to increase the reliability of the devices under high current, especially high frequency, we will study the optoelectronic and modulation characteristics of nitride-based LEDs. The implementation of this project is very important to lay a foundation to achieve the co-optimization of the quantum efficiency and modulation frequency, shed a light to realize high frequency, high efficient nitride LED device prototype for visible light communication.

基于氮化物LED的半导体照明在可见光通信方面也具有广阔的应用前景，而协同改善量子效率和调制带宽，是突破高效氮化物LED在可见光通信应用的关键。为解决该问题，在本项目中，我们将利用MOCVD及各种微纳工艺方法生长制备新型氮化物LED材料和器件，结合理论模拟系统研究：氮化物低维量子结构对载流子分布、输运复合的影响机制，以增加载流子的注入和有效辐射复合；表面等离激元在不同金属微纳结构中的形成、能量匹配，转化和耦合过程，以提高Purcell效应及载流子辐射复合系数；大电流注入高速调制状态下器件光电及调频特性，以改善大电流高频条件下器件的稳定性。希望通过研究可达到器件量子效率与调制带宽的协同优化和调控，最终实现高效高速调制的新型氮化物LED原型器件。该项目不仅对深入理解氮化物光电子材料器件物理机理具有重要的科学意义，也有助于推动氮化物在其交叉学科的应用和发展。

氮化物LED在可见光通信方面具有广阔的应用前景，而协同改善量子效率和调制带宽是突破氮化物LED在可见光通信应用的关键。为解决该问题，本项目我们系统研究了氮化物低维量子结构对载流子输运复合的影响；表面等离激元量子阱的耦合问题；大电流注入高速调制状态下器件光电及调频特性，最终实现了满足自由空间光通信应用需求的新型氮化物LED原型器件。取得的重要研究结果包括：.1）通过调控量子阱，揭示了在高速调制状态下量子斯塔克和局域化效应对载流子输运复合的影响，在电流密度425A/cm^2下，实现了~700MHz调制带宽。.2）研究同质和异质外延对LED光电和调频特性的影响。在相同生长条件下，GaN衬底上的LED辐射寿命比蓝宝石衬底上的LED减小30%，电流密度11kA/cm^2时调制带宽达到510MHz。同质外延的LED虽然位错减少，但点缺陷的影响不容忽视。.3）揭示了载流子分布对表面等离激元量子阱耦合的影响规律，优化金属颗粒尺寸可有效提高Purcell增强因子，减小量子阱数并使载流子分布尽可能靠近表面也有助于等离激元耦合；通过理论设计，纳米环结构的非极性面等离激元增强LED可达到2.3GHz。.4）协同优化氮化物μLED带宽和光功率，带宽达到1.04GHz，结合图形衬底和超晶格电子阻挡层等技术，提高光功率到7.2mW。该结果是目前报道GHz氮化物LED达到的最大光功率。.5）基于GHz带宽LED，结合半导体量子点，实现白光带宽637.6MHz，并建立了白光LED器件的频率响应模型。该器件在没有光学滤波片、非线性补偿及均衡技术的情况下，可支持NRZ-OOK信号实时传输速率675Mbps，误码率仅为4.35×10^-8。. 发表论文22篇，申请发明专利15项，其中已授权6项，培养博士研究生4名。这些研究结果不仅对深入理解氮化物光电子材料器件物理机理具有重要的科学意义，也有助于推动氮化物在其交叉学科的应用和发展。