Die Fudan-Universität arbeitet mit Lattice Power Semiconductor zusammen, um zum ersten Mal über die Forschungsergebnisse der InGaN-Rotlicht-Mikro-LED mit Siliziumsubstrat für die Kommunikation mit sichtbarem Licht zu berichten

Kürzlich haben die Fudan-Universität und Jiangxi Lattice Power Semiconductor an Forschungsergebnissen zur Anwendung von siliziumbasierten InGaN-Rotlicht-Mikro-LEDs in mehrfarbigen Displays und Hochgeschwindigkeitskommunikation mit sichtbarem Licht zusammengearbeitet. Der Titel „Red InGaN Micro-LEDs on Silicon Substrates: Potential for Multicolor Display and Wavelength Division Multiplexing Visible Light Communication“ wurde im führenden internationalen Journal im Bereich der optischen Kommunikation „Lightwave Technology Magazine“ (IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology) veröffentlicht ). Nach Veröffentlichung der Ergebnisse veröffentlichte das berühmte internationale Magazin der Halbleiterindustrie „Semiconductor Today“ eine Kolumne mit dem Titel „Rote InGaN-LEDs für die Kommunikation mit sichtbarem Licht“ (Rote InGaN-LEDs für die Kommunikation mit sichtbarem Licht), in der es hieß: „Fudan University und Jiangxi Lattice Power Semiconductor berichteten erstmals über rot emittierende Mikro-Leuchtdioden auf Siliziumsubstraten für die Kommunikation mit sichtbarem Licht. Das Team untersuchte auch die Wellenlänge/Farbe von Mikro-LEDs verschiedener Größen als Funktion des Stroms von Rot nach Grün für Display- und Multi-LEDs -Wellenlängen-Datenübertragung.“

Abbildung 1 Screenshot des Berichts „Semiconductor Today“.

Mikro-LED zeigt als aufstrebende Technologie großes Potenzial für fortschrittliche Anzeigesysteme der nächsten Generation, Kommunikation mit sichtbarem Licht und Optogenetik. Im Vergleich zu ausgereiften grünen und blauen GaN-Materialsystemen steht die Entwicklung roter Mikro-LEDs vor großen Herausforderungen. Üblicherweise bestehen die roten LEDs aus Aluminium-Indium-Galliumphosphid-Material (AlInGaP), aber wenn die Chipgröße auf den Mikrometerbereich schrumpft, nimmt die Effizienz von Mikro-LEDs auf AlInGaP-Basis erheblich ab. Darüber hinaus ist AlInGaP nicht mit bestehenden GaN-basierten grünen und blauen LED-Materialsystemen kompatibel. Theoretisch können InGaN-Materialien das gesamte sichtbare Spektrum abdecken, indem der Indiumgehalt in mehreren Quantentöpfen angepasst wird. Sie weisen eine gute mechanische Stabilität und eine höhere potenzielle Effizienz auf und werden allmählich zu einem idealen Material für die Emission von rotem Licht im Mikrometerbereich.

Derzeit werden rote InGaN-Mikro-LEDs meist auf strukturierten Saphirsubstraten gezüchtet oder es werden GaN-Pseudosubstrate auf Saphirsubstraten eingeführt. Bei der Anwendung auf die Transferdruck-Display-Technologie ist ein relativ teurer Laser-Lift-Off-Prozess erforderlich, um das native Substrat zu entfernen. Als Wachstumssubstrat mit großem kommerziellen Anwendungspotenzial können aus Silizium großflächige, qualitativ hochwertige Wafer zu geringen Herstellungskosten hergestellt werden. Bisher gibt es jedoch nur wenige Berichte über rote InGaN-Mikro-LEDs mit Siliziumsubstrat und es mangelt an detaillierten Untersuchungen zu deren Geräteleistung und Anwendungsbereichen.

Zu diesem Zweck wählte das Forschungsteam eine rote InGaN-Mikro-LED mit Siliziumsubstrat als Forschungsobjekt und analysierte die Wellenlängen-/Farbänderungen von Pixeln unterschiedlicher Größe bei zunehmendem Strom, um eine mehrfarbige Anzeige und eine Datenübertragung mit mehreren Wellenlängen zu erreichen (Abbildung 2). ). Durch Anpassen der Pixelgröße und Einspeisen von Strom wurde ein signifikantes Blauverschiebungsphänomen beobachtet, bei dem sich die Wellenlänge von rotem Licht zu grünem Licht verschob. Bei einer hohen Stromdichte von 100 A/cm2 übersteigt die Spitzenwellenlänge aller Pixel 630 nm, was Anwendungsszenarien erfüllen kann, die eine hohe Stromdichte erfordern, wie z. B. Augmented Reality, Virtual Reality und andere Bereiche. Mit zunehmender Stromdichte verschieben sich auch die CIE-Koordinaten vom Rotlichtbereich in den Grünlichtbereich, wodurch ein breiterer Farbraum angezeigt wird. Durch Anpassung des Arbeitszyklus wird eine mehrfarbige Lichtemission mit gleichmäßiger Helligkeit erreicht, was sein Anwendungspotenzial in mehrfarbigen Einzelchip-Mikro-LED-Displays demonstriert. Anschließend wurden die Anzeigeeigenschaften des 80 μm-Pixels ausführlich besprochen. Bei einer niedrigen Stromdichte von 2 A/cm2 erreichte die EQE 0,19 % und bei einer Stromdichte von 100 A/cm2 betrug die EQE 0,14 %.

Abbildung 2 (a) Schematische Darstellung der Struktur eines nach oben emittierenden Mikro-LED-Geräts; (b) REM-Foto des vorbereiteten 20-μm-Rotlichtpixels; (c) Lichtmikroskopisches Foto eines 80 μm großen roten Pixels bei einer Stromdichte von 20 A/cm2.

Die Forscher testeten außerdem die Kommunikationsleistung von roten Pixeln unterschiedlicher Größe und stellten fest, dass die Modulationsbandbreite von roten InGaN-Mikro-LEDs (Größe unter 100 μm) auf Siliziumsubstraten 400 MHz überstieg, was sie sehr gut für die Datenübertragung geeignet macht (Abbildung 3). . Für ein 40-μm-Pixel beträgt die maximale Modulationsbandbreite, die bei der Emission von rotem Licht, gelbem Licht und grünem Licht erreicht werden kann, 112,67 MHz, 126,38 MHz bzw. 533,15 MHz. Unter anderem ist die Modulationsbandbreite, die bei der Emission von grünem Licht erreicht wird, die bisher gemeldete Rekordbandbreite farbabstimmbarer Mikro-LEDs, was ihre enormen Vorteile bei der Kommunikation mit mehrfarbigem sichtbarem Licht demonstriert.

Abbildung 3 (a) -3 dB Modulationsbandbreite als Funktion der Stromdichte für alle Pixelgrößen. (b) Frequenzgangkurven von 40-μm-Pixeln bei 80, 600 und 5000 A/cm2, entsprechend den Wellenlängen 640 nm (rotes Licht), 584 nm (gelbes Licht) bzw. 533 nm (grünes Licht).

Anschließend wurde ein Mehrfarben-Wellenlängenmultiplexverfahren mit einem Chip vorgeschlagen (Abbildung 4). Am Sendeende der Kommunikation mit sichtbarem Licht werden Mikro-LEDs mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen verwendet, wobei die maximal zulässige Übertragungsdatenrate 2,35 Gbit/s erreicht. Dies ist der erste Bericht über die Verwendung von InGaN-Rotlicht-Mikro-LEDs mit Siliziumsubstrat in der Kommunikation mit sichtbarem Licht. Aufgrund der hohen Integration und Miniaturisierung von Pixeln verfügt dieses Gerät über ein großes Anwendungspotenzial in Bereichen wie tragbaren Kommunikationsgeräten und Smartwatches und dürfte in Zukunft die Komplexität der Gesamtsystemintegration verringern.

Abbildung 4 Schematische Darstellung des Versuchsgeräts des WDM-OWC-Systems.

Verwandte Links:

Papierlink:https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875

Link zum Spaltenbericht:https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/apr/fudan-210423.shtml