基于原子层沉积侧壁钝化的绿色Mini-LED调制带宽增强技术及其在可见光通信中的应用研究

《Advanced Physics Research》：Enhancement of Modulation Bandwidth for VLC Utilizing Green Mini-LED Light Source

本文系统探讨了三种不同尺寸绿色微型发光二极管（Mini-LED）在可见光通信（VLC）系统中的调制带宽特性，通过原子层沉积（ALD）技术修复干法刻蚀导致的侧壁缺陷，使50×80 μm2、80×120 μm2和100×200 μm2器件的带宽分别提升21.6%（74.1→90.1 MHz）、14.7%（57.9→66.4 MHz）和14.5%（35.1→40.2 MHz），为高速VLC系统光源设计提供了关键技术路径。

　　

1 引言

1.1 背景与动机

可见光通信（VLC）作为一种新兴的光无线通信技术，利用发光二极管（LED）同时实现照明与高速数据传输。其优势包括高能效、低成本、免授权频谱及强抗电磁干扰能力，适用于室内无线网络、智能车载通信、水下光链路等高精度定位场景。然而，传统LED的调制带宽通常仅数十兆赫兹，严重限制了VLC系统数据速率与可扩展性。

1.2 相关工作

近年研究聚焦于微型发光二极管（Mini-LED），其尺寸为微米级（数十至数百微米），具备载流子寿命短、寄生电阻电容（RC）延迟低、电流分布均匀等特性，显著提升了高频调制能力。例如，Xie等人设计了串联偏置μ-LED阵列以实现高光功率与高带宽；Liu等人通过三基色Mini-LED构建空分复用-波分复用（SDM-WDM）VLC系统。此外，悬浮薄膜GaN基蓝光Mini-LED通过电感耦合等离子体（ICP）刻蚀提升光提取效率，而原子层沉积（ALD）钝化技术可有效抑制侧壁缺陷，增强蓝光Mini-LED调制带宽。

1.3 研究贡献

本研究针对绿色Mini-LED，系统分析三种尺寸器件的调制带宽特性，重点探究器件几何尺寸与侧壁缺陷的影响。通过ALD技术修复干法刻蚀引起的侧壁损伤，降低非辐射复合，提升载流子限制能力，为高速高效VLC系统提供光源优化方案。

2 制备与优化

2.1 干法刻蚀局限与ALD钝化

III族氮化物Mini-LED制备主要依赖干法刻蚀，但该过程会严重损伤器件侧壁，降低调制带宽。传统等离子体增强化学气相沉积（PECVD）修复技术存在气体纯度要求高、薄膜均匀性差等缺点。相比之下，ALD技术具有优异的水汽阻隔性、无针孔薄膜、良好形貌保持性与覆盖性。本研究采用ALD沉积Al₂O₃层钝化侧壁，通过抑制肖克利-里德-霍尔（Shockley-Read-Hall）非辐射复合与电流泄漏，增强注入电流密度，进而加强量子限制斯塔克效应（QCSE）的库仑屏蔽，提升辐射复合系数与载流子寿命，最终提高调制带宽。

2.2 制备工艺与表征

绿色Mini-LED制备流程包括：金属有机化学气相沉积（MOCVD）在c面图案化蓝宝石衬底上生长非故意掺杂GaN（u-GaN）层，依次沉积GaN缓冲层、n-GaN层、多量子阱（InGaN/GaN）与p-GaN层；通过ICP刻蚀定义台面结构；磁控溅射蒸发（MSE）沉积氧化铟锡（ITO）透明p型欧姆接触与Ti/Al/Au n型电极；依次采用PECVD沉积SiO₂与ALD沉积Al₂O₃（各约30 nm）进行侧壁钝化；最后通过MSE沉积TiO₂/SiO₂分布式布拉格反射镜（DBR）增强背反射率。透射电子显微镜（TEM）图像显示ALD钝化后侧壁结构明显改善。

3 结果与讨论

3.1 实验配置

调制带宽测试系统包括矢量网络分析仪（VNA）产生扫频小信号调制，通过偏置三通结合直流偏压驱动Mini-LED；硅雪崩光电二极管（APD）接收光信号并经内部放大后返回VNA端口2，通过S21参数分析频率响应。

3.2 调制带宽分析

对50×80 μm²（Mini-LED-S）、80×120 μm²（Mini-LED-M）与100×200 μm²（Mini-LED-L）三种绿色Mini-LED的测试表明，调制带宽随注入电流密度增加先升后饱和，符合ABC复合模型。小尺寸器件因载流子浓度高、结电容低、电流分布均匀，带宽显著优于大尺寸器件。经ALD钝化后，三类器件带宽分别提升至87.8 MHz（100 mA）、66.4 MHz（120 mA）与40.2 MHz（140 mA）。对比未钝化器件，50×80 μm²器件带宽从74.1 MHz提升至90.1 MHz（+21.6%），80×120 μm²从57.9 MHz至66.4 MHz（+14.7%），100×200 μm²从35.1 MHz至40.2 MHz（+14.5%）。多次测试误差小于2%–3%，证明ALD钝化通过抑制侧壁非辐射复合与优化电流扩展，显著提升调制带宽。Al₂O₃钝化层在厚度优化下实现最佳表面钝化效果，为高速VLC系统提供关键技术支撑。

4 结论

本研究通过ALD侧壁钝化有效提升绿色Mini-LED调制带宽，最高改善达21.6%。该技术抑制干法刻蚀缺陷，增强载流子限制与光学效率，直接助推VLC系统数据速率提升。未来需解决大面积阵列均匀性与工艺兼容性挑战，探索新型钝化材料与混合制备策略，以推动高速光无线通信技术发展。