第三代半導(dǎo)體氮化鎵作為一種寬禁帶體材料，其細(xì)窄的耗盡區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)高載流子濃度，以此誕生的發(fā)光二極管（LED）獲得了2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。借助LED發(fā)展起來的可見光通信，正由于頻譜無需授權(quán)、高速、節(jié)能、無電磁輻射等優(yōu)點(diǎn)，在6G研究領(lǐng)域成為一種極具潛力的通信技術(shù)。

但是，可見光通信作為一種通信系統(tǒng)，發(fā)射和接收兩端具有相同的重要性。近年來，可見光通信的發(fā)展主要依靠著發(fā)射器件的突破，包括LED、SLD和LD。而對(duì)于接收器件，大部分可見光通信系統(tǒng)在使用紅外、近紅外的探測(cè)器進(jìn)行信號(hào)的接收。這些使用的探測(cè)器已經(jīng)在幾十年的發(fā)展歷程中對(duì)紅外、近紅外通信進(jìn)行了不斷優(yōu)化，這其中包括銦鎵砷探測(cè)器、鎵砷探測(cè)器和硅探測(cè)器。它們最小的峰值頻率響應(yīng)也在800 nm波長(zhǎng)，然后在可見光波段（400-780 nm）快速下降，這就導(dǎo)致類似可見光通信極具競(jìng)爭(zhēng)力的水下通信場(chǎng)景（藍(lán)綠光400-570 nm）發(fā)展受阻。

將氮化鎵LED進(jìn)行反向偏壓能實(shí)現(xiàn)可見光波段探測(cè)器的功能。傳統(tǒng)氮化鎵LED在制備過程中往往使用藍(lán)寶石襯底或者氮化鎵襯底。藍(lán)寶石襯底一般只能設(shè)計(jì)橫向結(jié)構(gòu)，在高注入電流或者高入射光功率下，會(huì)表現(xiàn)出電流擁堵、散熱差等問題，以至于芯片性能嚴(yán)重下降或損壞。氮化鎵襯底是理論上最理想的襯底，可制備氮化鎵襯底過程困難且成本極高，難以滿足商用化需求。

為解決上述問題，復(fù)旦大學(xué)遲楠教授、沈超教授、施劍陽博士研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南昌大學(xué)、國(guó)家硅基LED工程技術(shù)研究中心江風(fēng)益院士、張建立教授等人設(shè)計(jì)了一種硅基垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵Micro-LED。將該LED作為探測(cè)器，成功實(shí)現(xiàn)了10 Gbps的可見光通信。相關(guān)研究成果發(fā)表于Photonics Research 2022年第10期。

該方案首先設(shè)計(jì)一個(gè)硅基垂直結(jié)構(gòu)的氮化鎵Micro-LED圖（a），實(shí)驗(yàn)中同時(shí)設(shè)計(jì)了10 μm×10 μm、50 μm×50 μm和100 μm×100 μm三個(gè)尺寸芯片，其中50 μm的SEM圖，如圖（b）。隨后將設(shè)計(jì)的芯片以共陰極的方式組成4×4芯片陣列，如圖（c），該芯片陣列的光纖顯微圖像，如圖（d）。

圖（a）硅基垂直結(jié)構(gòu)氮化鎵Micro-LED示意圖；（b）50 μm芯片的SEM圖；（c）4×4芯片陣列示意圖；（d）50 μm芯片陣列的光學(xué)顯微圖像

基于該硅基氮化鎵Micro-LED，成功實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)峰值頻率響應(yīng)400 nm的可見光探測(cè)器，其半波寬達(dá)到了72 nm，為可見光的波分復(fù)用系統(tǒng)提供了可能。對(duì)該器件給予正向偏置電壓，可以發(fā)射出573 nm左右的可見光，當(dāng)給予方向偏置電壓，該器件可以實(shí)現(xiàn)可見光信號(hào)的探測(cè)。通過加大反向偏置電壓，-20 dB帶寬最大可以達(dá)到822 MHz。利用該探測(cè)器，成功實(shí)現(xiàn)了傳輸距離1 m，傳輸速率10.14 Gbps的可見光通信。

相比于傳統(tǒng)藍(lán)寶石襯底的氮化鎵Micro-LED，硅襯底的Micro-LED具有高晶體質(zhì)量、良好導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性能等特點(diǎn)，并且與現(xiàn)有硅基基礎(chǔ)電路兼容，具備向更加小型化高集成化發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，以此構(gòu)建的可見光探測(cè)器，適合未來對(duì)成本、速率敏感的6G可見光通信應(yīng)用場(chǎng)景。復(fù)旦大學(xué)與南昌大學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了硅基氮化鎵Micro-LED作為高速可見光探測(cè)器，后續(xù)將進(jìn)一步開展更高響應(yīng)靈敏度、更高傳輸帶寬的研究，將該器件推向?qū)嵱没罱K實(shí)現(xiàn)可見光通信收發(fā)一體化設(shè)計(jì)與應(yīng)用。