近期，臺(tái)灣大學(xué)林恭如教授團(tuán)隊(duì)、陽明交通大學(xué)郭浩中教授團(tuán)隊(duì)及東京大學(xué)暨日本學(xué)術(shù)振興會(huì)程志賢特別研究員合作開發(fā)帶有奈米光柵結(jié)構(gòu)的半極化綠光2x2微型發(fā)光二極管（Micro LED）陣列并進(jìn)行高速傳輸封裝以實(shí)現(xiàn)高速無線可見光傳輸其傳輸位元率可達(dá)5 Gbps，相當(dāng)于不到1秒鐘就能傳輸一片DVD或一部高畫質(zhì)電影，有望應(yīng)用在智慧顯示、擴(kuò)增實(shí)境領(lǐng)域，助攻元宇宙發(fā)展,如圖一所示。在綠光2x2 Micro LED陣列的特殊設(shè)計(jì)下可以有效抑制量子局限史塔克效應(yīng)（Quantum-confined Start effect）以擁有低極化相關(guān)電場(chǎng)和平坦的量子阱能帶。

 

圖一（a）納米結(jié)構(gòu)半極化綠光Micro LED元件示意圖（b）（c）2х2 Micro LED元件點(diǎn)亮與未點(diǎn)亮在光學(xué)顯微鏡下的影像

 

Micro LED除了照明以及顯示技術(shù)，還能將訊號(hào)加在Micro LED上，使其作為光源傳輸，賦予一個(gè)兼具照明以及資料傳輸?shù)耐ㄓ崙?yīng)用，若照明波段落在可見光的，我們就將其稱為可見光通訊（Visible Light Communication, VLC）。由于Micro LED具有低功耗以及較高的調(diào)變頻寬，在可見光通訊領(lǐng)域會(huì)有很大的潛力。

 

而可見光通訊需要的成本來自于發(fā)射元件、接收元件、驅(qū)動(dòng)電路、用于可見光通訊的專用芯片等，然而價(jià)格限制了可見光通訊的發(fā)展，因此，需要不斷的改進(jìn)制程，降低生產(chǎn)成本，才能使光通訊得以大規(guī)模推廣，通過市場(chǎng)帶動(dòng)技術(shù)發(fā)展，規(guī)模化生產(chǎn)促進(jìn)光通訊成本降低。

 

為了解決芯片縮小因表面缺陷造成LED光電特性不佳的問題，郭浩中教授研究團(tuán)隊(duì)導(dǎo)入原子層鈍化沉積技術(shù)（Atomic layer deposition, ALD）來提升元件輻射復(fù)合的效率，減少漏電流的產(chǎn)生，開發(fā)出高性能的高速綠光Micro LED元件。此種效應(yīng)使得綠光2x2 Micro LED陣列表現(xiàn)出2.5 V的啟動(dòng)電壓以及在電流密度1 A/cm2操作下得到0.3 mW的輸出功率。

 

此外，此綠光2x2 Micro LED陣列相較于一般傳統(tǒng)LED元件展現(xiàn)出較小的波長(zhǎng)偏移。另一方面，50m的大孔徑設(shè)計(jì)可以有效降低元件的電容宜以提升整體3-dB調(diào)變頻寬及在更大的偏壓表現(xiàn)出-1dB的功率壓縮。綠光2x2 Micro LED陣列設(shè)計(jì)相較于單顆Micro LED元件也可有效降低整體的元件借以降低功耗。

 

在搭配特定高速傳輸封裝使得綠光2x2 Micro LED陣列在非歸零開關(guān)鍵控格式訊號(hào)（Non-Return-to-Zero On-OFF Keying）傳輸下，其傳輸位元率可達(dá)1.5 Gbps。如圖二（a）所示；

 

圖二（a）-（f） NRZ-OOK傳輸下的眼圖分析，其傳輸位元率可達(dá)1.5 Gbps

而在寬帶正交振幅調(diào)變-正交分頻多工格式傳輸系統(tǒng)下，使用8階正交振幅調(diào)變-正交分頻多工格式訊號(hào)且采樣率為16 GS操作下，其誤碼率可達(dá)3.3×10-3，總傳輸位元率達(dá)4.5 Gbps。綠光2x2 Micro LED陣列使用加載離散多音（Bit-Loaded Discrete Multitone）格式傳輸在可以超過5 Gbps的傳輸位元率，為目前已知綠光調(diào)變最 高的總傳輸位元率，如圖三所示。

 

圖三、比較利用NRZ-OOK與OFDM調(diào)變方式達(dá)到的總傳輸位元率

 

此次工作中顯示綠光2x2 Micro LED陣列擁有更大的潛力，當(dāng)與手持移動(dòng)設(shè)備封裝結(jié)合以應(yīng)用于可見光通信或光無線通信領(lǐng)域的未來應(yīng)用。相關(guān)研究成果被2021年被頂尖光電期刊《Photonics Research》所接受。

 

白光照明VLC研究上，陽明交通大學(xué)郭浩中教授團(tuán)隊(duì)與與美國(guó)新創(chuàng)公司Saphlux、耶魯大學(xué)、廈門大學(xué)的研究人員合作，采用半極化（Semipolar）的Micro LED結(jié)合提出了一種用于全彩顯示的PNCs-Micro LED （Perovskite NCs, PNCs）顯示技術(shù)，該元件是使用半極性（20-21）藍(lán)色Micro LED陣列進(jìn)行激發(fā)，該陣列具有發(fā)射綠色的CsPbBr3和發(fā)射紅色的CsPbBrI2 PNCs，如圖四所示。接著在外層披覆SiO2以增強(qiáng)其穩(wěn)定性，使PNCs可以在老化測(cè)試超過1300小時(shí)后成功保持其光強(qiáng)度。

 

圖四、可撓式色轉(zhuǎn)換層的制作流程與PNCs-Micro LED白光元件的影像圖

 

此外，半極性（20-21）Micro LED陣列具有良好的波長(zhǎng)偏移特性，在不同電流密度下，與具有同對(duì)數(shù)量子阱（MQW）設(shè)計(jì)的c-plane Micro LED相比，波長(zhǎng)偏移僅為2.7 nm，如圖五（c）。PNCs產(chǎn)生的紅色和綠色顯著提高了色純度和色域，可達(dá)到127.23% NTSC標(biāo)準(zhǔn)色域面積占比的和95.00% Rec. 2020，如圖五（b）。

 

同時(shí)也提供655 MHz頻寬和1.2 Gbp/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，如圖五（a）（d）-（f）所提出的PNC-Micro LED具有色偏小、色域大、頻寬高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)研究成果被2021年被頂尖光電期刊《Photonics Research》所接受。

 

 

圖五、（a）不同操作電流下的半極化藍(lán)光Micro LED頻率響應(yīng)；（b） PNCs-Micro LED的色域面積圖；（c）半極化藍(lán)光Micro LED在不同操作電流密度條件下的波長(zhǎng)位移；（d）-（f） NRZ-OOK傳輸下的眼圖分析，其傳輸位元率可達(dá)1.2 Gbit/s。

 

在15日舉行研究成果記者會(huì)上，中國(guó)臺(tái)大光電所暨電機(jī)系終身特聘教授林恭如林恭如表示，團(tuán)隊(duì)通過材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研發(fā)出超快綠色微型發(fā)光二極管陣列元件（Green Micro LED），傳輸速度達(dá)到自由空間中每秒超過50億位元（5Gbps），相當(dāng)于不到1秒鐘就能傳輸一片DVD或一部高畫質(zhì)電影，是目前全球最快的可見光傳輸速度紀(jì)錄。

 

林恭如表示，超高速綠光微型LED陣列的研究成果，是繼高速藍(lán)光與紅光微型發(fā)光二極管元件的開發(fā)后，完成讓智慧顯示裝置也能進(jìn)行自由空間光通訊研究發(fā)展的最后一哩路。

 

團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)成果也被美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)電子期刊“光學(xué)聚焦（Spotlight on Optics）”選為2021年度代表性論文，成為去年1萬多篇出版論文中最具代表性的100篇論文之一，元件發(fā)表后受到鴻海的重視。

 

郭浩中指出，未來元宇宙的世界中，穿戴式裝置是其中重要一環(huán)，不只顯示亮度要夠，也要可以大量傳輸資料，因此把光當(dāng)作傳輸資料方式，就算在人群密集時(shí)，光通訊也不會(huì)發(fā)生塞車狀況。

 

林恭如表示，相關(guān)微型LED技術(shù)突破，未來不只應(yīng)用在智慧顯示、擴(kuò)增實(shí)境，助攻元宇宙發(fā)展而已，元件本身也可以作為普遍性光源使用，如果有高速數(shù)據(jù)傳輸需求，象是智慧醫(yī)療、智慧零售等其他領(lǐng)域也有機(jī)會(huì)應(yīng)用。