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(jiàn)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(jiàn)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(guó)際光通信領(lǐng)域頂級(jí)期刊《光波技術(shù)雜志》(IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology)上，成果發(fā)表后國(guó)際半導(dǎo)體行業(yè)著名雜志《Semiconductor Today》以“用于可見(jiàn)光通信的紅色I(xiàn)nGaN LED”(Red InGaN LEDs for visible light communication)為題做了專欄報(bào)道，指出“復(fù)旦大學(xué)和中國(guó)晶能光電股份有限公司首次報(bào)告了用于可見(jiàn)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(duì)還研究了各種尺寸的微型 LED 的波長(zhǎng)/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(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸”。

圖1《Semiconductor Today》報(bào)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(jiàn)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(jí)時(shí)，AlInGaP基Micro-LED的效率會(huì)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(wèn)題。理論上，InGaN材料可以通過(guò)調(diào)整多量子阱中的銦含量來(lái)覆蓋整個(gè)可見(jiàn)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(jí)紅光發(fā)射的理想材料。

目前，InGaN紅光Micro-LED大多生長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(bào)道較少，缺乏對(duì)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(duì)象，分析了不同尺寸的像素隨電流增大的波長(zhǎng)/顏色變化，以實(shí)現(xiàn)多色顯示和多波長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸(圖2)。通過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)都超過(guò)630 nm，能夠滿足需要高電流密度的應(yīng)用場(chǎng)景，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)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(guò)調(diào)節(jié)占空比實(shí)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(cè)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(guò)400 MHz，這使得它們非常適合用于數(shù)據(jù)傳輸(圖3)。對(duì)于40 μm像素，其在發(fā)射紅光、黃光和綠光時(shí)，所能實(shí)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(shí)所達(dá)到的調(diào)制帶寬，是目前所報(bào)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(jiàn)光通信中的巨大優(yōu)勢(shì)。

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(duì)應(yīng)640 nm(紅光)、584 nm(黃光)和533 nm(綠光)的波長(zhǎng)。

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(zhǎng)的Micro-LED被用于可見(jiàn)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(jiàn)光通信的首次報(bào)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(lái)整體系統(tǒng)集成的復(fù)雜性。

圖4 WDM-OWC系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

審核編輯：劉清