专利摘要

本发明提供了一种高调制速度发光二极管及其调制方法和制造方法，所述发光二极管的PN结结区包含一个双量子阱结构，所述双量子阱结构包括一第一量子阱和一第二量子阱，所述第一量子阱的带隙大于所述第二量子阱的带隙，所述第一量子阱辐射信号光，所述第二量子阱辐射辅助光，通过量子隧穿效应，所述第一量子阱和所述第二量子阱相互耦合。本发明高调制速度的发光二极管通过载流子在能量空间的动态过程，实现了载流子的超快注入与超快抽离参与信号光辐射的能量区域，降低了发光二极管光信号的上升沿与下降沿所需的时间，进而提高了发光二极管的调制速度。

权利要求

1.一种高调制速度发光二极管的调制方法，其特征在于：所述发光二极管的PN结结区包含一个双量子阱结构，所述双量子阱结构包括一第一量子阱和一第二量子阱，所述第一量子阱的带隙大于所述第二量子阱的带隙，所述第一量子阱辐射信号光，所述第二量子阱辐射辅助光，通过量子隧穿效应，所述第一量子阱和所述第二量子阱相互耦合；

在所述发光二极管外部设置一信号源，所述信号源输出调制信号对所述发光二极管进行直接电调制，控制所述调制信号的开启电压大于所述第一量子阱和所述第二量子阱正常工作电压，控制所述调制信号的关断电压小于所述第一量子阱的正常工作电压，但大于所述第二量子阱的正常工作电压，通过所述调制信号在开启电压与关断电压之间的切换实现所述第一量子阱处的载流子浓度快速上升和快速降低，从而实现所述发光二极管的高速度调制。

2.如权利要求1所述的高调制速度发光二极管的调制方法，其特征在于：当所述第一量子阱与所述第二量子阱采用相同的化合物半导体时，所述第一量子阱采用的化合物半导体中各元素的占比与所述第二量子阱采用的化合物半导体中各元素的占比不同。

3.如权利要求2所述的高调制速度发光二极管的调制方法，其特征在于：所述第一量子阱和所述第二量子阱均采用InGaN半导体，所述第一量子阱中In的占比为小于所述第二量子阱中In的占比。

4.如权利要求3所述的高调制速度发光二极管的调制方法，其特征在于：所述第一量子阱的InGaN半导体中In的占比为0.3，所述第二量子阱的InGaN半导体中In的占比为0.5。

5.如权利要求3所述的高调制速度发光二极管的调制方法，其特征在于：所述第一量子阱与所述第二量子阱的厚度均为0.003微米，所述第一量子阱与所述第二量子阱的间距为0.005微米。

说明书

技术领域

本发明涉及一种发光二极管及其调制方法和制造方法，尤其涉及一种高调制速度发光二极管及其调制方法和制造方法。

背景技术

发光二极管（LED）是一种PN结型半导体光电器件。其采用的半导体材料一般是III-V族， II-VI族元素的二元或多元化合物半导体。其辐射光谱由PN结化合物半导体材料的带隙决定，覆盖从紫外、可见到红外波段。

LED是一种自发辐射光电器件，其发光机制是由N区注入电子，P区注入空穴，电子-空穴在有源区自发辐射复合，发出光子。

PN结中电子与空穴统称载流子，其自发辐射复合几率的倒数就是载流子的自发辐射复合寿命 ，即载流子在被复合湮灭掉之前的平均存在时间。

如果PN结区载流子的浓度为 ，载流子的寿命为 ，那么该PN结自发辐射复合发光功率将正比于 。

载流子的浓度正比于注入PN结的电流密度。当电流密度高，则载流子的浓度高，辐射光功率高。当电流密度低，载流子的浓度低，辐射光功率低。

当对LED进行直接电调制时，电压在开启电压 与关断电压 之间切换，注入PN结中的电流密度也相应地在 与 之间切换，其辐射的光功率也相应地在 与 之间切换，从而实现LED由电信号到光信号的调制。

PN结中载流子浓度随电流密度的变化并不是同步的，会有一定的滞后效应，滞后效应与载流子寿命 有关，其关系可用公式 表示，这种滞后效应将限制PN结的最高调制速度。这就意味着LED调制带宽就将受限于载流子的辐射复合寿命 。

由于载流子的辐射复合寿命一般较长，这导致 LED的调制带宽一般只有几十兆赫兹，不能满足光通信对调制速度的要求。原理上，载流子的自发辐射复合寿命属于半导体材料的固有属性，缩短载流子辐射复合寿命是困难的。因此，要实现高调制速度的LED光源，必须采用不同于以上理论路径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高调制速度的发光二极管及其调制方法和制造方法，旨在用于解决现有的发光二极管不能满足光通信对调制速度的要求的问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种高调制速度发光二极管，其特征在于，包括：所述发光二极管的PN结结区包含一个双量子阱结构，所述双量子阱结构包括一第一量子阱和一第二量子阱，所述第一量子阱的带隙大于所述第二量子阱的带隙，所述第一量子阱辐射信号光，所述第二量子阱辐射辅助光，通过量子隧穿效应，所述第一量子阱和所述第二量子阱相互耦合。

进一步地，当所述第一量子阱与所述第二量子阱采用相同的化合物半导体时，所述第一量子阱采用的化合物半导体中各元素的占比与所述第二量子阱采用的化合物半导体中各元素的占比不同。

进一步地，所述第一量子阱和所述第二量子阱均采用InGaN半导体，所述第一量子阱中In的占比为小于所述第二量子阱中In的占比。

进一步地，所述第一量子阱的InGaN半导体中In的占比为0.3，所述第二量子阱的InGaN半导体中In的占比为0.5。

进一步地，所述第一量子阱与所述第二量子阱的厚度均为0.003微米，所述第一量子阱与所述第二量子阱的间距为0.005微米。

本发明还提供一种如上所述的高调制速度发光二极管的调制方法，其特征在于：在所述发光二极管外部设置一信号源，所述信号源输出调制信号对所述发光二极管进行直接电调制，控制所述调制信号的开启电压大于所述第一量子阱和所述第二量子阱正常工作电压，控制所述调制信号的关断电压小于所述第一量子阱的正常工作电压，但大于所述第二量子阱的正常工作电压，通过所述调制信号在开启电压与关断电压之间的切换实现所述第一量子阱处的载流子浓度快速上升和快速降低，从而实现所述发光二极管的高速度调制。

本发明还提供一种如上所述的高调制速度发光二极管的制造方法，其特征在于：采用异质外延生长工艺制备，通过调控所述第一量子阱和所述第二量子阱的多元化合物半导体的组份实现所述第一量子阱的带隙大于所述第二量子阱的带隙，从而制备出具有不同辐射能量的所述第一量子阱和所述第二量子阱。

本发明具有以下有益效果：

本发明高调制速度的发光二极管包含一个双量子阱结构，所述第一量子阱的带隙大于所述第二量子阱的带隙，从而通过载流子在能量空间的动态过程，实现了载流子的超快注入与超快抽离参与信号光辐射的能量区域，降低了发光二极管光信号的上升沿与下降沿所需的时间，进而提高了发光二极管的调制速度。

附图说明

图1为本发明高调制速度发光二极管的双量子阱结构示意图；

图2为本发明高调制速度发光二极管参与两种能量光子辐射的载流子示意图；

图3为本发明高调制速度发光二极管的辐射光谱；

图4为10ns脉冲信号输入下，普通量子阱LED与本发明高调制速度发光二极管中参与自发辐射空穴浓度的动态过程；

图5为在不同输入脉冲宽度下，普通量子阱LED光输出的波形与对比度；

图6为在不同输入脉冲宽度下，本发明高调制速度发光二极管光输出的波形与对比度。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1，本发明实施例提供一种高调制速度发光二极管，所述发光二极管的PN结具有一结区，所述结区为发光二极管中电压降的区域，所述结区包含一个双量子阱结构，所述双量子阱结构包括一第一量子阱和一第二量子阱，所述第一量子阱的带隙大于所述第二量子阱的带隙，所述第一量子阱辐射信号光，所述第二量子阱辐射辅助光，通过量子隧道效应，所述第一量子阱和所述第二量子阱相互耦合。

本发明高调制速度发光二极管采用III-V族InGaN化合物半导体，外延层结构由上至下为：电极接触层为GaN，厚度0.1微米，掺杂浓度P型 ； 扩展层为GaN，厚度0.2微米，掺杂浓度P型 ；势垒层为InGaN(In:0.1)，厚度0.005微米，无掺杂；第二量子阱为InGaN(In:0.5)，厚度0.003微米，无掺杂；势垒层为InGaN(In:0.1)，厚度0.005微米，无掺杂；第一量子阱为InGaN(In:0.3)，厚度0.003微米，无掺杂；势垒层为InGaN(In:0.1)，厚度0.005微米，无掺杂；缓冲层为InGaN(In:0-0.1)，厚度0.01微米，无掺杂；扩展层为GaN，厚度2微米，掺杂浓度N型 ；电极接触层为GaN，厚度2微米，掺杂浓度 。其中，所述第一量子阱与所述第二量子阱的间距为0.005微米。在其他实施例中，上述各参数可以根据具体情况进行调整。所述第一量子阱的InGaN化合物半导体中In的占比小于所述第二量子阱的InGaN化合物半导体中In的占比，从而实现所述第一量子阱的带隙大于所述第二量子阱的带隙，进而使得所述第一量子阱辐射信号光，所述第二量子阱辐射辅助光。

本发明高调制速度发光二极管在调制时，在所述发光二极管外部设置一信号源，所述信号源输出调制信号对所述发光二极管进行直接电调制，控制所述调制信号的开启电压大于所述第一量子阱和所述第二量子阱的正常工作电压，控制所述调制信号的关断电压小于所述第一量子阱的正常工作电压，但大于所述第二量子阱的正常工作电压，通过所述调制信号在开启电压与关断电压之间的切换实现所述第一量子阱处的载流子浓度快速上升和快速降低，从而实现所述发光二极管的高速度调制。

如图2所示，所述第一量子阱辐射光子 ，所述第二量子阱辐射光子 ，其中， ，相应地，参与光辐射的载流子包含两部分。当电压处于开启电压时，载流子被注入，则形成相应的第一量子阱处的载流子浓度和第二量子阱处的载流子浓度。

当电压由开启电压切换为关断电压，这里的关断电压只关断所述第一量子阱处的光辐射，而使所述第二量子阱处的光辐射依然处于开启状态，可以辐射光子 。在极短时间内，所述第二量子阱处的载流子由于保持自发辐射而湮灭掉，新注入载流子将包含两部分：（1）外部电流注入，（2）所述第一量子阱处载流子迁移至所述第二量子阱处。由于所述第一量子阱处载流子能量高于所述第二量子阱处的载流子，所述第一量子阱处的载流子会迁移至所述第二量子阱处，由于该过程发生在能量空间，是一个超快过程，这等价于一个极大的瞬态电流注入。因此，相对于有限大小的外部电流注入，在所述第一量子阱处的载流子消耗掉之前，可以认为所述第二量子阱处的光辐射将全部辐射来自于所述第一量子阱处的载流子。通过该方法，可以实现所述第一量子阱处的载流子浓度的快速降低。

当电压再次切换为开启电压，在极短时间内，所述第一量子阱处的载流子将来源于两个部分：（1）外部电流注入，（2）所述第二量子阱处载流子迁移至所述第一量子阱处。由于外部电压导致电势分布变化，载流子在所述第一量子阱处将具有更低的电势，所述第二量子阱处的载流子会迁移至所述第一量子阱处，由于该过程发生在能量空间，是一个超快过程，这等价于一个极大的瞬态电流注入。因此，相对于有限大小的外部电流注入，可以认为所述第一量子阱处的光辐射将全部辐射来自于所述第二量子阱处的载流子。通过该方法，可以实现所述第一量子阱处的载流子浓度的快速上升。

综上，所述第一量子阱处的载流子浓度的变化是由于：载流子在能量空间所述第一量子阱和所述第二量子阱之间的迁移，时间极短，远远小于载流子的辐射复合寿命。因此，载流子浓度随调制电压的变化也不再受制于载流子的辐射复合寿命，通过此方法可以实现发光二极管的高调制速度。

本发明高调制速度发光二极管的制造方法为：采用与目前一般异质结量子阱LED相同的异质外延生长工艺制备，在MOCVD工艺中，通过调控所述第一量子阱和所述第二量子的InGaN半导体的组份，特别是其中In的占比，实现所述第一量子阱的带隙大于所述第二量子阱的带隙，从而制备出具有不同辐射能量的所述第一量子阱和所述第二量子阱。

如图3所示，为本发明高调制速度发光二极管的辐射光谱的波形图。

如图4所示，对比10ns方波脉冲信号输入下，普通量子阱LED与本发明高调制速度发光二极管中参与自发辐射载流子浓度的动态过程，本发明载流子浓度的上升沿和下降沿都极大的缩短。暂态调制特性为：开启电压 ，关断电压 。

如图5所示，为在调制脉冲宽度分别为：10ns, 5ns, 1ns信号输入下，普通量子阱LED输出光信号波形与对比度的变化。

如图6所示，为在调制脉冲宽度分别为：10ns, 5ns, 1ns信号输入下，本发明高调制速度发光二极管输出光信号波形与对比度的变化。

由上可以看出，在一定信号对比度的要求下，本发明高调制速度发光二极管具有比普通量子阱LED更高的调制速度；在输入信号为1ns时，仍可获得5dB的对比度，普通量子阱LED的对比度则不足0.5dB。因此，本发明高调制速度发光二极管调制速度高且性能较好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

高调制速度发光二极管及其调制方法和制造方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。