圖1《Semiconductor Today》報道的截圖?

Micro-LED作為一種新興技術(shù)，在下一代先進顯示系統(tǒng)、可見光通信和光遺傳學中展現(xiàn)了巨大的潛力。與成熟的綠光和藍光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寶石襯底或是在藍寶石襯底上引入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，如增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域。隨著電流密度的增加，CIE坐標也從紅光區(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顯微鏡照片。

研究人員進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)射時所達到的調(diào)制帶寬，是目前所報道的顏色可調(diào)Micro-LED的紀錄帶寬，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。

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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