تتعاون جامعة فودان مع شركة Lattice Power Semiconductor للإبلاغ لأول مرة عن نتائج الأبحاث الخاصة بركيزة السيليكون للضوء الأحمر InGaN Micro-LED للاتصال بالضوء المرئي

في الآونة الأخيرة، تعاونت جامعة فودان وشركة Jiangxi Lattice Power Semiconductor في نتائج البحث حول تطبيق الضوء الأحمر InGaN القائم على السيليكون في شاشات العرض متعددة الألوان والاتصالات الضوئية المرئية عالية السرعة. تم نشر عنوان "Red InGaN Micro-LEDs على ركائز السيليكون: إمكانية عرض متعدد الألوان وتعدد إرسال الاتصالات بالضوء المرئي بتقسيم الطول الموجي" في أفضل مجلة دولية في مجال الاتصالات البصرية "Lightwave Technology Magazine" (IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology ). بعد نشر النتائج، نشرت مجلة صناعة أشباه الموصلات العالمية الشهيرة "Semiconductor Today" عمودًا بعنوان "Red InGaN LEDs للاتصال بالضوء المرئي" (Red InGaN LEDs للاتصالات بالضوء المرئي)، جاء فيه أن "جامعة فودان وجيانغشي Lattice Power Semiconductor تم الإبلاغ لأول مرة عن الثنائيات الباعثة للضوء الصغير التي ينبعث منها الضوء الأحمر على ركائز السيليكون للاتصالات بالضوء المرئي. كما قام الفريق بدراسة الطول الموجي / اللون لمصابيح LED الصغيرة بأحجام مختلفة كدالة للتيار من الأحمر إلى الأخضر للعرض والمتعددة. - نقل البيانات بالطول الموجي."

الشكل 1: لقطة شاشة لتقرير "أشباه الموصلات اليوم".

تُظهِر تقنية Micro-LED، باعتبارها تقنية ناشئة، إمكانات كبيرة في أنظمة العرض المتقدمة من الجيل التالي واتصالات الضوء المرئي وعلم البصريات الوراثي. بالمقارنة مع أنظمة مواد GaN الخضراء والزرقاء الناضجة، يواجه تطوير مصابيح Micro-LED الحمراء تحديات هائلة. عادة ما تكون مصابيح LED الحمراء مصنوعة من مادة فوسفيد الغاليوم الإنديوم الألومنيوم (AlInGaP)، ولكن مع تقلص حجم الرقاقة إلى مستوى الميكرون، ستنخفض كفاءة مصابيح Micro-LED المستندة إلى AlInGaP بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، فإن AlInGaP غير متوافق مع أنظمة المواد LED الخضراء والزرقاء القائمة على GaN. من الناحية النظرية، يمكن لمواد InGaN تغطية الطيف المرئي بأكمله عن طريق ضبط محتوى الإنديوم في آبار كمومية متعددة، وتتمتع باستقرار ميكانيكي جيد وكفاءة محتملة أعلى، وتصبح تدريجيًا مادة مثالية لانبعاث الضوء الأحمر على مستوى الميكرون.

حاليًا، تُزرع مصابيح InGaN الحمراء الصغيرة في الغالب على ركائز من الياقوت المنقوش أو تقدم ركائز زائفة من GaN على ركائز من الياقوت. إذا تم تطبيقه على تكنولوجيا العرض المطبوعة بالنقل، يلزم إجراء عملية رفع بالليزر مكلفة نسبيًا لإزالة الركيزة الأصلية. باعتباره ركيزة نمو تتمتع بإمكانيات كبيرة للتطبيقات التجارية، يمكن للسيليكون الحصول على رقاقات عالية الجودة ومساحة كبيرة بتكاليف تصنيع منخفضة. ومع ذلك، حتى الآن، هناك عدد قليل من التقارير حول ركيزة السيليكون InGaN red Micro-LED، التي تفتقر إلى البحث التفصيلي حول أداء أجهزتها ومجالات التطبيق.

ولتحقيق هذه الغاية، اختار فريق البحث ركيزة السيليكون InGaN red Micro-LED ككائن بحثي وقام بتحليل تغيرات الطول الموجي/اللون للبكسلات ذات الأحجام المختلفة مع زيادة التيار لتحقيق عرض متعدد الألوان ونقل بيانات متعدد الأطوال الموجية (الشكل 2). ). ومن خلال ضبط حجم البكسل وحقن التيار، لوحظت ظاهرة تحول أزرق كبيرة، مع تحول الطول الموجي من الضوء الأحمر إلى الضوء الأخضر. عند كثافة تيار عالية تبلغ 100 أمبير/سم2، يتجاوز الطول الموجي الأقصى لجميع وحدات البكسل 630 نانومتر، مما يمكنه تلبية سيناريوهات التطبيق التي تتطلب كثافة تيار عالية، مثل الواقع المعزز والواقع الافتراضي وغيرها من المجالات. ومع زيادة الكثافة الحالية، تتحول إحداثيات CIE أيضًا من منطقة الضوء الأحمر إلى منطقة الضوء الأخضر، مما يظهر نطاقًا لونيًا أوسع. يتم تحقيق انبعاث الضوء متعدد الألوان مع سطوع موحد عن طريق ضبط دورة التشغيل، مما يوضح إمكانية تطبيقه في شاشات LED الصغيرة أحادية الشريحة ومتعددة الألوان. وفي وقت لاحق، تمت مناقشة خصائص العرض للبكسل 80 ميكرومتر بالتفصيل. عند كثافة تيار منخفضة تبلغ 2 أمبير/سم2، وصل EQE إلى 0.19%، وعند كثافة تيار تبلغ 100 أمبير/سم2، كان EQE 0.14%.

الشكل 2 (أ) رسم تخطيطي لهيكل جهاز Micro-LED الباعث للأعلى؛ (ب) صورة SEM لبكسل الضوء الأحمر المجهز بقياس 20 ميكرومتر؛ (ج) صورة مجهرية ضوئية لبكسل أحمر مقاس 80 ميكرومترًا بكثافة حالية تبلغ 20 أمبير / سم2.

اختبر الباحثون أيضًا أداء الاتصال للبكسلات الحمراء ذات الأحجام المختلفة ووجدوا أن عرض نطاق التعديل لمصابيح InGaN الحمراء الصغيرة (حجم أقل من 100 ميكرومتر) على ركائز السيليكون تجاوز 400 ميجاهرتز، مما يجعلها مناسبة جدًا لنقل البيانات (الشكل 3). . بالنسبة إلى بكسل 40 ميكرومتر، فإن الحد الأقصى لعرض نطاق التعديل الذي يمكن تحقيقه عند انبعاث الضوء الأحمر والضوء الأصفر والضوء الأخضر هو 112.67 ميجا هرتز و126.38 ميجا هرتز و533.15 ميجا هرتز على التوالي. من بينها، عرض النطاق الترددي التعديلي الذي تم تحقيقه عندما ينبعث الضوء الأخضر هو عرض النطاق الترددي القياسي لمصابيح Micro-LED القابلة للضبط بالألوان والتي تم الإبلاغ عنها حتى الآن، مما يدل على مزاياها الهائلة في اتصالات الضوء المرئي متعدد الألوان.

الشكل 3 (أ) عرض النطاق الترددي للتشكيل -3 ديسيبل كدالة للكثافة الحالية لجميع أحجام البكسل. (ب) منحنيات استجابة التردد البالغة 40 ميكرومتر بكسل عند 80 و600 و5000 أمبير/سم2، المقابلة للأطوال الموجية البالغة 640 نانومتر (الضوء الأحمر)، 584 نانومتر (الضوء الأصفر) و533 نانومتر (الضوء الأخضر) على التوالي.

وفي وقت لاحق، تم اقتراح نظام تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي أحادي الشريحة ومتعدد الألوان (الشكل 4). يتم استخدام مصابيح LED صغيرة ذات أطوال موجية انبعاثية مختلفة في نهاية إرسال اتصالات الضوء المرئي، حيث يصل الحد الأقصى لمعدل بيانات الإرسال المسموح به إلى 2.35 جيجابت في الثانية. هذا هو التقرير الأول عن استخدام Micro-LED للضوء الأحمر لركيزة السيليكون InGaN في اتصالات الضوء المرئي. ونظرًا للتكامل العالي والتصغير لوحدات البكسل، يتمتع هذا الجهاز بإمكانات تطبيقية كبيرة في مجالات مثل أجهزة الاتصالات القابلة للارتداء والساعات الذكية، ومن المتوقع أن يقلل من تعقيد تكامل النظام الشامل في المستقبل.

الشكل 4: رسم تخطيطي للجهاز التجريبي لنظام WDM-OWC.

روابط ذات علاقة:

رابط الورق:https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875

رابط تقرير العمود:https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/apr/fudan-210423.shtml