LED可见光通信的研究进展_李征.pdf

2023 年 2 月第 34 卷第 1 期照明工程学报ZHAOMING GONGCHENG XUEBAOFeb2023Vol.34No.1LED 可见光通信的研究进展李征1，王沸钢1，梁静远1，秦欢欢1，赵黎2，柯熙政1，2(1.西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安710000;2.西安工业大学电子信息工程学院，陕西 西安710000)摘要:LED 以其节能、高效、耐用、绿色、环保等优点受到社会的高度重视，在显示屏、交通信号灯、液晶屏背光、温室补光和日常照明，乃至通信等诸多方面有广泛的应用。本文从 LED 的原理出发，阐述了白光 LED 的原理和材料器件进展。针对白光 LED 在可见光全双工通信中的应用，对 LED 的光学设计、驱动电路和信道建模进行了讨论，并引用实验进行了验证，最后对 LED 未来的发展进行了展望。关键词:LED;白光 LED;可见光通信;光学设计;信道建模中图分类号:TM923文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2023.01.006The Principle and esearch Progress of LED Visible Light CommunicationLI Zheng1，WANG Feigang1，LIANG Jingyuan1，QIN Huanhuan1，ZHAO Li2，KE Xizheng1，2(1.School of Automation and Information Engineering，Xi an University of Technology，Xi an710000，China;2.School of Electronic and Information Engineering，Xi an Technological University，Xi an710000，China)Abstract:LED is highly valued by the society for its energy-saving，high efficiency，durability，green，environmental protection and other advantages It has a wide range of applications in display，traffic lights，LCD backlights，greenhouse lighting and daily lighting，and even communications Based on the principleof LED，this paper describes the principle of white LED and the development of material and devicesAiming at the application of white LED in visible full-duplex communication，the optical design，drivercircuit and channel modeling of LED are discussed，and the experiments is cited for verificationFinallythe future development of LED is prospectedKey words:LED;white LED;visible light communication;optical design;channel modeling通信作者:柯熙政，E-mail:引言随着科学技术的发展，白炽灯、荧光灯这些效率低、能耗高的传统光源逐渐退出历史舞台1。鉴于 LED 具备节能环保、使用寿命长、经济效益好、性能稳定、性价比高等优点，受到了市场的普遍重视2。目前已广泛应用于路灯、显示屏、户外固态照明设备和可见光通信3。LED 照明技术的蓬勃发展，使节能效率达到了前所未有的程度4。在光通量相同的条件下，LED 耗能已经降到白炽灯的 1/8和节能灯的 1/2，相信在不久的未来，LED 照明设备可以取代传统照明设备5。当前 LED 已经进入商业应用阶段，并在照明领域占据主流地位，给人们的生活带来了极大的便利。据“双碳”背景下半导体照明产业消费现状及发展建议报道，截至2020 年底，LED 照明在全球的普及率已经达到59.0%，而国内普及率达到了 78%，在今后仍有较30照明工程学报2023 年 2 月大的发展空间6。1LED 基本原理LED 是半导体光源，其原理是利用 P-N 结的载流子辐射复合发光，能够用于光通信的发光典型波长为780 nm、850 nm、1 300 nm 等。且 LED 制造成本低、性能可靠、驱动电路简单，受温度影响不明显，发射功率和驱动电流基本呈现比较好的线性关系。常见的发光 LED 器件的基本结构如图 1(a)所示，此类 LED 属于典型的点光源，具有高指向性7。将很多独立的 LED 芯片封装在一个基板上就成为了面光源，其仍然具有高度的指向性，如图 1(b)所示7。图 1(a)LED 器件基本构架7;(b)LED 面光源7 Fig.1(a)Basic architecture of LED devices;(b)LED surface light source对双异质结中多余载流子复合，根据能量交换方式有 3 种机理:肖克莱里德霍尔非辐射复合(Shockley-ead-Hall，SH 复合)、辐射复合、俄歇(Auger)复合8，图 2 为这三种复合机制的示意图。(a)SH 复合SH 复合是与陷阱或者缺陷能级相关。其中图 2三种电子和空穴复合示意图8(a)SH 复合;(b)辐射复合;(c)Auger 复合Fig.2Schematic diagram of three electron and hole recombinationSH 复合是由两部分组成，缺陷中心捕获电子释放中子和缺陷中心失去电子释放声子两个过程，其载流子输运过程可以表示为9:Trap0+eTrap+Ep1(1)Trap+h+Trap0+Ep2(2)其中，Trap0与 Trap是电中性缺陷中心和电子负缺陷中心，e表示电子、h+表示空穴;Ep1是导带 EC和缺陷能级 ET之间的带隙宽度;Ep2是缺陷能级 ET和价带 EV之间的带隙宽度，即:Ep1=EC ET(3)Ep2=ET EV(4)(b)辐射复合辐射复合过程是外注入的电子和空穴在有源层全部复合，辐射的能量都以光子形式发出，其中载流子输运过程可表达为10:e+h+hv(5)其中，e和 h+分别表示电子和空穴，hv 表示产生的光子能量。(c)Auger 复合Auger 复合与前两种复合不尽相同，复合产生的能量没有以光子的形式辐射，而是传递给其他的载流子，使得吸收了能量的载流子跃迁到其他状态的过程。根据载流子类型的不同，Auger 复合分为两种类型的跃迁过程，一种是空穴释放能量进入价带，另一种是电子吸收能量进入导带，这两个过程可以分别表示为11:e+h+h+h+Ep(6)e+e+h+e+Ep(7)第 34 卷第 1 期李征等:LED 可见光通信的研究进展31其中，Ep为被传递能量的载流子进入上下两侧带边所需要的能量。2LED 结构研究进展得益于半导体技术的发展，在 LED 问世之前就已经有了完备的理论知识解释电致发光这一现象，为之后的 LED 发展奠定了理论基础。自 1962 年第一只实用的红光 LED 问世以后，人们对于用何种结构改善 LED 的发光效率有着激烈的探讨。最早，SiC 和 ZnSe 是制备 LED 的热门材料，而 GaN 材料由于没有合适的单晶衬底材料、晶体位错密度大、制作工艺复杂等诸多原因而被搁置。直到 1971 年第一只 GaN LED 才问世，受当时技术限制，不能完成GaN p 型掺杂，因此金属绝缘体半导体(Metal-Insulator-Semiconductor，MIS)结构成为首选结构，如图 3 所示。由于其结构内部载流子数量少，辐射复合的效率低，所以其光效也十分低下，只有0.03 0.1 lm/W12。图 3GaN 基 MIS 外延层和器件结构12 Fig.3GaN-based MIS epitaxial layer and device structure1983 年，Yoshida 等13 用分子束外延的方法，在镀有 AlN 的蓝宝石衬底上生长出了品质较好的GaN 外延材料;并且采用低能电子束辐射(IEEBI)方法，获得 p 型掺杂 Mg 的 GaN。这两次科技进步，为 GaN 基 LED 的诞生铺平了道路。1989 年，Amano 等14 成功制备出首只 GaN p-n结的 LED，该 LED 在 Yoshida 等13 的基础上，使用MOCVD 方法在 AlN 缓冲层上外延生长出了 n-GaN薄膜，GaN 层厚度只有 3 m，但是其载流子浓度达到了 2 1017cm3，并采用低能电子束辐照技术对GaN 进行 Mg 掺杂，从而制备了 p-GaN，成功构成了p-n 结 LED，如图 4 所示。实验证明 p-n 结 LED 性能各方面都要优于 MIS 结构的 LED。p-n 结 LED 的诞生，时刻激励着科研者向更高图 4早期 p-n 结 GaN 基 LED 结构14 Fig.4Structure of early p-n junction GaN-based LED效的 LED 发起挑战。1991 年，Nakamura 等15 在蓝宝石衬底上以 GaN 为缓冲层，成功制备出了同质结的 GaN 基蓝光 LED，如图 5 所示。n 层的载流子浓度和 p 层的载流子相较于之前有着数量级上的提升;在驱动电流为 20 mA 时，具有良好的表现，正向电压为 4 V，外量子效率约为 0.18%，发光效率有了不小的提升。图 5同质结 GaN 基 LED 结构15 Fig.5Homogenous junction GaN-based LED structure在同质结 LED 中，由于势垒高度较低，在此范围内各处的电子和空穴辐射复合效率较低，所以发光效率也较低。为了增加势垒高度，增加电子和空穴的复合概率，异质结 LED 应运而生。1994 年，Nakamura 等16 采用 InGaN/AlGaN 双异质结结构，成功制备出高亮度的 GaN 基蓝光 LED。在室温正向电流为 20 mA 时，输出功率为1 500 W，外量子效率高达 2.7%，LED 的结构如图 6 所示，此项发明让他荣获 2014 年的诺贝尔物理学奖。为进一步加强电子和空穴的复合，量子阱结构诞生，其中量子阱结构也分为单量子阱结构和多量子阱结构。单量子阱结构像“三明治”一般，是由两个宽禁带材料夹着另一种窄带材料。而多量子阱结构的有源层是由多个异质结构成，此种结构可以增加其捕获载流子的概率，因而提高辐射复合的效率。2001 年，Lai 等17 制备了多量子阱结构的蓝光LED。设计的量子阱结构由5 层 In0.25Ca0.75N/GaN 结32照明工程学报2023 年 2 月图 6双异质结 GaN 基蓝光 LED 结构16 Fig.6Double heterojunction GaN based blue LED structure构组成;在 20 mA 的工作电流下，输出功率为2.2 mW;当电流提高到 1.4 A 时，输出功率为53 mW;EQE 为 4.5%。LED 的散热也是阻碍其提高发光效率的主要问题，为此工程师们研制出了芯片倒装结构，将散热能力差的蓝宝石衬底结构放置在最顶层，基底添加散热材质以增强散热功能。2003 年，关于倒装 LED芯片的封装技术就有很多的专利申请。2006 年，Shchekin 等18 制造了一种薄膜倒装芯片 InGaN/GaN多量子阱 LED，结构如图 7 所示，输出波长为441 nm，在 1 A