دانشگاه فودان با همکاری شبکه Lattice Power Semiconductor برای اولین بار نتایج تحقیقات زیرلایه سیلیکونی InGaN red light Micro-LED برای ارتباطات نور مرئی را گزارش می کند.

اخیراً، دانشگاه فودان و شرکت نیمه هادی شبکه جیانگشی بر روی نتایج تحقیق در مورد استفاده از میکرو LED نور قرمز InGaN مبتنی بر سیلیکون در نمایشگرهای چند رنگ و ارتباطات نور مرئی با سرعت بالا با یکدیگر همکاری کردند. عنوان "Red InGaN Micro-LEDs on Silicon Substrates: Potential for Multicolor Display and Waveength Division Multiplexing Visible Light Communication" در برترین مجله بین المللی در زمینه ارتباطات نوری "Lightwave Technology Magazine" (IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology) منتشر شد. ). پس از انتشار نتایج، مجله مشهور بین المللی صنعت نیمه هادی "Semiconductor Today" ستونی را با عنوان "Red InGaN LEDs برای ارتباط با نور مرئی" (Red InGaN LEDs برای ارتباطات نور مرئی) منتشر کرد و در آن عنوان کرد که "دانشگاه فودان و نیمه هادی شبکه جیانگشی شبکه برقی برای اولین بار دیودهای ساطع کننده نور قرمز بر روی بسترهای سیلیکونی برای ارتباطات نور مرئی را گزارش کردند. -انتقال داده با طول موج."

شکل 1 تصویری از گزارش "نیمه هادی امروز".

Micro-LED، به عنوان یک فناوری در حال ظهور، پتانسیل زیادی در سیستم های نمایشگر پیشرفته نسل بعدی، ارتباطات نور مرئی و اپتوژنتیک نشان می دهد. در مقایسه با سیستم های مواد GaN سبز و آبی بالغ، توسعه میکرو ال ای دی های قرمز با چالش های بزرگی مواجه است. معمولاً LED های قرمز از مواد آلومینیوم ایندیم گالیوم فسفید (AlInGaP) ساخته می شوند، اما با کاهش اندازه تراشه به سطح میکرون، کارایی میکرو LED های مبتنی بر AlInGaP به طور قابل توجهی کاهش می یابد. علاوه بر این، AlInGaP با سیستم‌های مواد LED سبز و آبی مبتنی بر GaN ناسازگار است. از نظر تئوری، مواد InGaN می توانند با تنظیم محتوای ایندیم در چاه های کوانتومی متعدد، کل طیف مرئی را پوشش دهند و پایداری مکانیکی خوب و بازده پتانسیل بالاتری داشته باشند و به تدریج تبدیل به یک ماده ایده آل برای انتشار نور قرمز در سطح میکرون شوند.

در حال حاضر، Micro-LED های قرمز InGaN بیشتر بر روی بسترهای یاقوت کبود طرح دار رشد می کنند یا زیرلایه های کاذب GaN را روی بسترهای یاقوت کبود معرفی می کنند. اگر برای فناوری نمایشگر چاپی انتقالی اعمال شود، یک فرآیند لیزری نسبتاً گران برای برداشتن بستر اصلی مورد نیاز است. سیلیکون به عنوان یک بستر رشد با پتانسیل کاربرد تجاری زیاد، می‌تواند ویفرهای با سطح وسیع و با کیفیت بالا را با هزینه‌های تولید پایین به دست آورد. با این حال، تا کنون، گزارش های کمی در مورد بستر سیلیکونی InGaN قرمز Micro-LED، فاقد تحقیقات دقیق در مورد عملکرد دستگاه و زمینه های کاربردی آن وجود دارد.

برای این منظور، تیم تحقیقاتی بستر سیلیکونی InGaN قرمز Micro-LED را به عنوان هدف تحقیق انتخاب کرد و تغییرات طول موج/رنگ پیکسل‌های با اندازه‌های مختلف را با افزایش جریان برای دستیابی به نمایشگر چند رنگ و انتقال داده با طول موج چندگانه تجزیه و تحلیل کرد (شکل 2). ). با تنظیم اندازه پیکسل و تزریق جریان، یک پدیده جابجایی آبی قابل توجه مشاهده شد، با تغییر طول موج از نور قرمز به نور سبز. در چگالی جریان بالای 100 A/cm2، طول موج پیک همه پیکسل‌ها از 630 نانومتر فراتر می‌رود، که می‌تواند با سناریوهای کاربردی که به چگالی جریان بالا نیاز دارند، مانند واقعیت افزوده، واقعیت مجازی و سایر زمینه‌ها، پاسخ دهد. با افزایش چگالی جریان، مختصات CIE نیز از ناحیه نور قرمز به ناحیه نور سبز تغییر می‌کند و طیف رنگ گسترده‌تری را نشان می‌دهد. انتشار نور چند رنگ با روشنایی یکنواخت با تنظیم چرخه کار، نشان دادن پتانسیل کاربرد آن در نمایشگرهای میکرو LED تک تراشه و چند رنگ به دست می آید. پس از آن، ویژگی های صفحه نمایش پیکسل 80 میکرومتر به تفصیل مورد بحث قرار گرفت. در چگالی جریان پایین 2 A/cm2، EQE به 0.19% رسید و در چگالی جریان 100A/cm2، EQE 0.14% بود.

شکل 2 (الف) نمودار شماتیک ساختار یک دستگاه میکرو ال ای دی با ساطع بالا. (ب) عکس SEM از پیکسل نور قرمز 20 میکرومتری آماده شده. ج) عکس میکروسکوپ نوری از یک پیکسل قرمز 80 میکرومتری با چگالی جریان 20 A/cm2.

محققان همچنین عملکرد ارتباطی پیکسل‌های قرمز رنگ با اندازه‌های مختلف را آزمایش کردند و دریافتند که پهنای باند مدولاسیون میکرو LED‌های قرمز InGaN (اندازه کمتر از 100 میکرومتر) روی بسترهای سیلیکونی از 400 مگاهرتز فراتر رفته است که آنها را برای انتقال داده بسیار مناسب می‌کند (شکل 3). . برای یک پیکسل 40 میکرومتر، حداکثر پهنای باند مدولاسیونی که می‌توان هنگام انتشار نور قرمز، نور زرد و نور سبز به دست آورد به ترتیب 112.67 مگاهرتز، 126.38 مگاهرتز و 533.15 مگاهرتز است. در میان آنها، پهنای باند مدولاسیونی که هنگام تابش نور سبز به دست می‌آید، رکورد پهنای باند میکرو ال‌ای‌دی‌های قابل تنظیم رنگی است که تاکنون گزارش شده است و مزایای عظیم آن را در ارتباطات نور مرئی چند رنگی نشان می‌دهد.

شکل 3 (الف) - پهنای باند مدولاسیون 3dB به عنوان تابعی از چگالی جریان برای همه اندازه‌های پیکسل. (ب) منحنی های پاسخ فرکانس 40 میکرومتر پیکسل در 80، 600 و 5000 A/cm2، که به ترتیب مربوط به طول موج های 640 نانومتر (نور قرمز)، 584 نانومتر (نور زرد) و 533 نانومتر (نور سبز) است.

متعاقباً، یک طرح چندگانه تقسیم طول موج تک تراشه، چند رنگی پیشنهاد شد (شکل 4). میکرو ال‌ای‌دی‌های با طول‌موج‌های گسیلی متفاوت در انتهای انتقال نور مرئی استفاده می‌شوند که حداکثر نرخ مجاز انتقال داده به ۲.۳۵ گیگابیت در ثانیه می‌رسد. این اولین گزارش از بستر سیلیکونی نور قرمز Micro-LED InGaN است که در ارتباطات نور مرئی استفاده می شود. به دلیل یکپارچگی و مینیاتوری بالای پیکسل ها، این دستگاه پتانسیل کاربردی زیادی در زمینه هایی مانند دستگاه های ارتباطی پوشیدنی و ساعت های هوشمند دارد و انتظار می رود در آینده پیچیدگی یکپارچه سازی کلی سیستم را کاهش دهد.

شکل 4 نمودار شماتیک دستگاه آزمایشی سیستم WDM-OWC.

لینک های مربوطه:

پیوند کاغذی:https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875

لینک گزارش ستون:https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/apr/fudan-210423.shtml