近日，復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院田朋飛課題組關(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 InGaN LED”（Red InGaN LEDs for visible light communication）為題做了專欄報道，指出“復(fù)旦大學(xué)和中國江西晶能半導(dǎo)體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，團(tuán)隊選取硅襯底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(shí)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(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100 A/cm²電流密度下，EQE為0.14%。
圖2：（a）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100 μm）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(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-3 dB調(diào)制帶寬隨電流密度的變化。（b）40 μm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。
田朋飛課題組立足第三代半導(dǎo)體micro-LED器件核心技術(shù)，研究micro-LED器件工藝、轉(zhuǎn)移打印及封裝技術(shù)，在micro-LED顯示、光通信、引力波探測、腦機(jī)接口等芯片和系統(tǒng)方面具有長期研究基礎(chǔ)。
論文由復(fù)旦大學(xué)與晶能光電股份有限公司共同完成，復(fù)旦大學(xué)陸馨怡為第一作者，田朋飛為論文通訊作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員會、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目的資助。
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
（來源：復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 供稿 | 田朋飛課題組）
