Universitas Fudan bekerja sama dengan Lattice Power Semiconductor untuk pertama kalinya melaporkan hasil penelitian substrat silikon InGaN lampu merah Micro-LED untuk komunikasi cahaya tampak

Baru-baru ini, Universitas Fudan dan Jiangxi Lattice Power Semiconductor berkolaborasi dalam hasil penelitian penerapan lampu merah InGaN berbasis silikon Micro-LED dalam tampilan multi-warna dan komunikasi cahaya tampak berkecepatan tinggi. Judul "LED Mikro InGaN Merah pada Substrat Silikon: Potensi Tampilan Multiwarna dan Divisi Panjang Gelombang Komunikasi Cahaya Tampak Multiplexing" diterbitkan dalam jurnal internasional terkemuka di bidang komunikasi optik "Majalah Teknologi Lightwave" (IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology ). Setelah hasilnya dipublikasikan, majalah industri semikonduktor internasional terkenal "Semiconductor Today" menerbitkan kolom berjudul "LED InGaN Merah untuk komunikasi cahaya tampak" (LED InGaN Merah untuk komunikasi cahaya tampak), menyatakan bahwa "Universitas Fudan dan Jiangxi Lattice Power Semiconductor melaporkan untuk pertama kalinya dioda pemancar cahaya mikro pemancar merah pada substrat silikon untuk komunikasi cahaya tampak. Tim juga mempelajari panjang gelombang/warna mikro-LED dengan berbagai ukuran sebagai fungsi arus dari merah ke hijau untuk tampilan dan multi. -transmisi data panjang gelombang."

Gambar 1 Tangkapan layar laporan "Semiconductor Today".

Micro-LED, sebagai teknologi baru, menunjukkan potensi besar dalam sistem tampilan canggih generasi mendatang, komunikasi cahaya tampak, dan optogenetika. Dibandingkan dengan sistem material GaN hijau dan biru yang matang, pengembangan Micro-LED merah menghadapi tantangan besar. Umumnya LED merah terbuat dari bahan aluminium indium gallium fosfida (AlInGaP), namun seiring dengan menyusutnya ukuran chip hingga ke tingkat mikron, efisiensi Micro-LED berbasis AlInGaP akan menurun secara signifikan. Selain itu, AlInGaP tidak kompatibel dengan sistem material LED hijau dan biru berbasis GaN yang ada. Secara teoritis, bahan InGaN dapat mencakup seluruh spektrum tampak dengan menyesuaikan kandungan indium di beberapa sumur kuantum, dan memiliki stabilitas mekanik yang baik serta efisiensi potensial yang lebih tinggi, dan secara bertahap menjadi bahan ideal untuk emisi lampu merah tingkat mikron.

Saat ini, Micro-LED merah InGaN sebagian besar ditanam pada substrat safir berpola atau memperkenalkan substrat semu GaN pada substrat safir. Jika diterapkan pada teknologi tampilan cetak transfer, diperlukan proses pelepasan laser yang relatif mahal untuk menghilangkan substrat asli. Sebagai substrat pertumbuhan dengan potensi aplikasi komersial yang besar, silikon dapat memperoleh wafer berkualitas tinggi dengan area luas dengan biaya produksi rendah. Namun, sejauh ini, hanya ada sedikit laporan tentang substrat silikon InGaN Micro-LED merah, dan kurangnya penelitian mendetail mengenai kinerja perangkat dan bidang aplikasinya.

Untuk tujuan ini, tim peneliti memilih substrat silikon InGaN merah Micro-LED sebagai objek penelitian dan menganalisis perubahan panjang gelombang/warna piksel dengan ukuran berbeda seiring dengan peningkatan arus untuk mencapai tampilan multi-warna dan transmisi data multi-panjang gelombang (Gambar 2 ). Dengan menyesuaikan ukuran piksel dan menyuntikkan arus, fenomena pergeseran biru yang signifikan diamati, dengan pergeseran panjang gelombang dari lampu merah ke lampu hijau. Pada kepadatan arus tinggi 100 A/cm2, panjang gelombang puncak semua piksel melebihi 630 nm, yang dapat memenuhi skenario aplikasi yang memerlukan kepadatan arus tinggi, seperti augmented reality, virtual reality, dan bidang lainnya. Ketika kepadatan arus meningkat, koordinat CIE juga bergeser dari area lampu merah ke area lampu hijau, menunjukkan gamut warna yang lebih luas. Emisi cahaya multi-warna dengan kecerahan seragam dicapai dengan menyesuaikan siklus kerja, menunjukkan potensi penerapannya dalam tampilan mikro-LED chip tunggal dan multi-warna. Selanjutnya, karakteristik tampilan piksel 80 μm dibahas secara rinci. Pada rapat arus rendah 2 A/cm2 EQE mencapai 0,19%, dan pada rapat arus 100A/cm2 EQE sebesar 0,14%.

Gambar 2 (a) Diagram skema struktur perangkat Mikro-LED dengan emisi teratas; (b) Foto SEM dari piksel lampu merah 20μm yang disiapkan; (c) Foto mikroskop optik piksel merah berukuran 80 μm pada rapat arus 20 A/cm2.

Para peneliti selanjutnya menguji kinerja komunikasi piksel merah dengan ukuran berbeda dan menemukan bahwa bandwidth modulasi Micro-LED merah InGaN (ukuran kurang dari 100 μm) pada substrat silikon melebihi 400 MHz, sehingga sangat cocok untuk transmisi data (Gambar 3) . Untuk piksel 40μm, bandwidth modulasi maksimum yang dapat dicapai saat memancarkan lampu merah, lampu kuning, dan lampu hijau masing-masing adalah 112,67 MHz, 126,38 MHz, dan 533,15 MHz. Diantaranya, bandwidth modulasi yang dicapai ketika lampu hijau dipancarkan adalah rekor bandwidth Micro-LED yang dapat diatur warnanya yang dilaporkan sejauh ini, yang menunjukkan keunggulan besarnya dalam komunikasi cahaya tampak multi-warna.

Gambar 3 (a) Bandwidth modulasi -3dB sebagai fungsi kepadatan arus untuk semua ukuran piksel. (b) Kurva respons frekuensi piksel 40μm pada 80, 600 dan 5000 A/cm2, sesuai dengan panjang gelombang masing-masing 640 nm (lampu merah), 584 nm (lampu kuning) dan 533 nm (lampu hijau).

Selanjutnya, skema multiplexing pembagian panjang gelombang multi-warna chip tunggal diusulkan (Gambar 4). Mikro-LED dengan panjang gelombang emisi berbeda digunakan pada ujung transmisi komunikasi cahaya tampak, dengan kecepatan data transmisi maksimum yang diperbolehkan mencapai 2,35 Gbps. Ini adalah laporan pertama tentang mikro-LED lampu merah InGaN substrat silikon yang digunakan dalam komunikasi cahaya tampak. Karena integrasi dan miniaturisasi piksel yang tinggi, perangkat ini memiliki potensi penerapan yang besar di berbagai bidang seperti perangkat komunikasi yang dapat dikenakan dan jam tangan pintar, dan diharapkan dapat mengurangi kompleksitas integrasi sistem secara keseluruhan di masa depan.

Gambar 4 Diagram skema perangkat percobaan sistem WDM-OWC.

Tautan yang berhubungan:

Tautan kertas:https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875

Tautan laporan kolom:https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/apr/fudan-210423.shtml