晶能光電與復(fù)旦大學(xué)合作首次報告用于可見光通信的硅襯底InGaN紅光Micro-LED研究成果
近日，復(fù)旦大學(xué)和晶能光電合作課題組關(guān)于硅基InGaN紅光Micro-LED在多色顯示器和高速可見光通信方面的應(yīng)用研究成果，以《硅襯底InGaN紅光Micro-LED：用于多色顯示和波分復(fù)用可見光通信中的潛力》(“Red InGaN Micro-LEDs on Silicon Substrates: Potential for Multicolor Display and Wavelength Division Multiplexing Visible Light Communication”)為題，發(fā)表在國際光通信領(lǐng)域頂級期刊《光波技術(shù)雜志》(IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology)上，成果發(fā)表后國際半導(dǎo)體行業(yè)著名雜志《Semiconductor Today》以“用于可見光通信的紅色I(xiàn)nGaN LED”(Red InGaN LEDs for visible light communication)為題做了專欄報道，指出“復(fù)旦大學(xué)和中國晶能光電股份有限公司首次報告了用于可見光通信的硅基板上的紅色發(fā)射微型發(fā)光二極管，該團(tuán)隊還研究了各種尺寸的微型 LED 的波長/顏色隨著電流的增加從紅色變?yōu)榫G色，以用于顯示和多波長數(shù)據(jù)傳輸”。
圖1《Semiconductor Today》報道的截圖?
Micro-LED作為一種新興技術(shù)，在下一代先進(jìn)顯示系統(tǒng)、可見光通信和光遺傳學(xué)中展現(xiàn)了巨大的潛力。與成熟的綠光和藍(lán)光GaN材料系統(tǒng)相比，紅光Micro-LED的發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)。常用的紅光LED由磷化鋁銦鎵(AlInGaP)材料制成，但隨著芯片尺寸縮小至微米量級時，AlInGaP基Micro-LED的效率會顯著降低。此外，AlInGaP存在著與現(xiàn)有的GaN基綠光和藍(lán)光LED材料系統(tǒng)不兼容的問題。理論上，InGaN材料可以通過調(diào)整多量子阱中的銦含量來覆蓋整個可見光譜，并且具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性、更高的潛在效率，逐漸成為微米級紅光發(fā)射的理想材料。
目前，InGaN紅光Micro-LED大多生長于圖案化藍(lán)寶石襯底或是在藍(lán)寶石襯底上引入GaN偽襯底。如果應(yīng)用于轉(zhuǎn)移打印顯示技術(shù)，則需要相對昂貴的激光剝離工藝才能去除原生襯底。硅作為一種極具商業(yè)化應(yīng)用潛力的生長襯底，能以較低的制造成本獲得大面積、高質(zhì)量晶圓。然而，迄今為止，關(guān)于硅襯底InGaN紅光Micro-LED的報道較少，缺乏對其器件性能與應(yīng)用領(lǐng)域的詳細(xì)研究。
為此，課題組選取硅襯底InGaN紅光Micro-LED作為研究對象，分析了不同尺寸的像素隨電流增大的波長/顏色變化，以實現(xiàn)多色顯示和多波長數(shù)據(jù)傳輸(圖2)。通過調(diào)控像素大小和注入電流，觀察到顯著的藍(lán)移現(xiàn)象，波長從紅光偏移到綠光。在100 A/cm2的高電流密度下，所有像素的峰值波長都超過630 nm，能夠滿足需要高電流密度的應(yīng)用場景，如增強(qiáng)現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域。隨著電流密度的增加，CIE坐標(biāo)也從紅光區(qū)域轉(zhuǎn)移到綠光區(qū)域，呈現(xiàn)出較寬的色域。通過調(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)了亮度均勻的多色發(fā)光，證明了其在單芯片、多色micro-LED顯示器中的應(yīng)用潛力。隨后，詳細(xì)討論了80 μm像素的顯示特性，其在2 A/cm2的低電流密度下，EQE達(dá)到0.19%，在100A/cm2電流密度下，EQE為0.14%。
圖2 頂發(fā)射的Micro-LED器件結(jié)構(gòu)示意圖。
(b)所制備的20 μm紅光像素的SEM照片。
(c)80 μm紅光像素在20 A/cm2的電流密度下的光學(xué)顯微鏡照片。
研究人員進(jìn)一步測試了不同尺寸紅光像素的通信性能，發(fā)現(xiàn)硅襯底上InGaN紅光Micro-LED(尺寸小于100μm)的調(diào)制帶寬均超過400 MHz，這使得它們非常適合用于數(shù)據(jù)傳輸(圖3)。對于40 μm像素，其在發(fā)射紅光、黃光和綠光時，所能實現(xiàn)的最大調(diào)制帶寬分別為112.67 MHz、126.38 MHz和533.15 MHz。其中，綠光發(fā)射時所達(dá)到的調(diào)制帶寬，是目前所報道的顏色可調(diào)Micro-LED的紀(jì)錄帶寬，展現(xiàn)了其在多色可見光通信中的巨大優(yōu)勢。
圖3(a)所有尺寸像素的-3dB調(diào)制帶寬隨電流密度的變化。
(b)40μm像素在80、600和5000 A/cm2下的頻率響應(yīng)曲線，分別對應(yīng)640 nm(紅光)、584 nm(黃光)和533 nm(綠光)的波長。
? ? ? 隨后，提出了一種單芯片、多色波分復(fù)用方案(圖4)。不同發(fā)光波長的Micro-LED被用于可見光通信的發(fā)射端，最大允許傳輸數(shù)據(jù)速率達(dá)到2.35 Gbps，這是硅襯底InGaN紅光Micro-LED用于可見光通信的首次報道。由于像素的高度集成化與小型化，該器件在可穿戴通信設(shè)備與智能手表等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力，有望降低未來整體系統(tǒng)集成的復(fù)雜性。
圖4 WDM-OWC系統(tǒng)的實驗裝置示意圖。
相關(guān)鏈接：
論文鏈接：https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875
專欄報道鏈接：https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/apr/fudan-210423.shtml
晶能光電是全球硅襯底GaN技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者之一，于全球率先實現(xiàn)了硅襯底GaN技術(shù)在LED領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用，是具有底層芯片核心技術(shù)的全產(chǎn)業(yè)鏈IDM半導(dǎo)體光電器件提供商，獲得2015年度國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎和第四屆中國質(zhì)量獎提名獎，在Micro-LED和GaN功率器件兩大前沿領(lǐng)域保持著與世界同步的開發(fā)。
?未來，我們將以硅襯底GaN技術(shù)為核心，面向“3+N”的業(yè)務(wù)布局，持續(xù)投入技術(shù)和產(chǎn)品的創(chuàng)新迭代，加快Micro-LED、GaN 功率器件技術(shù)的應(yīng)用推廣，致力于實現(xiàn)“成為國內(nèi)知名的半導(dǎo)體光電器件公司”的企業(yè)目標(biāo)，為利益相關(guān)者創(chuàng)造最大的價值。
