L'Università di Fudan collabora con Lattice Power Semiconductor per presentare per la prima volta i risultati della ricerca sul substrato di silicio InGaN a luce rossa Micro-LED per la comunicazione con luce visibile

Recentemente, l'Università di Fudan e Jiangxi Lattice Power Semiconductor hanno collaborato ai risultati della ricerca sull'applicazione di micro-LED a luce rossa InGaN a base di silicio in display multicolori e comunicazioni a luce visibile ad alta velocità. Il titolo "Red InGaN Micro-LEDs on Silicon Substrates: Potential for Multicolor Display and Wavelength Division Multiplexing Visible Light Communication" è stato pubblicato sulla principale rivista internazionale nel campo delle comunicazioni ottiche "Lightwave Technology Magazine" (IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology ). Dopo la pubblicazione dei risultati, la famosa rivista internazionale del settore dei semiconduttori "Semiconductor Today" ha pubblicato un articolo intitolato "Red InGaN LEDs for Visible Light Communication" (LED rossi InGaN per la comunicazione con luce visibile), affermando che "Fudan University e Jiangxi Lattice Power Semiconductor segnalato per la prima volta micro-diodi emettitori di luce rossa su substrati di silicio per comunicazioni a luce visibile. Il team ha anche studiato la lunghezza d'onda/colore dei micro-LED di varie dimensioni in funzione della corrente da rosso a verde per display e multi. -trasmissione dati sulla lunghezza d'onda."

Figura 1 Screenshot del rapporto "Semiconductor Today".

Il micro-LED, in quanto tecnologia emergente, mostra un grande potenziale nei sistemi di visualizzazione avanzati di prossima generazione, nelle comunicazioni a luce visibile e nell'optogenetica. Rispetto ai sistemi maturi di materiali GaN verdi e blu, lo sviluppo di micro-LED rossi deve affrontare sfide enormi. Comunemente i LED rossi sono realizzati in materiale alluminio indio gallio fosfuro (AlInGaP), ma man mano che la dimensione del chip si riduce al livello dei micron, l'efficienza dei micro-LED basati su AlInGaP diminuirà in modo significativo. Inoltre, AlInGaP è incompatibile con i sistemi esistenti di materiali LED verdi e blu basati su GaN. Teoricamente, i materiali InGaN possono coprire l'intero spettro visibile regolando il contenuto di indio in più pozzi quantici e avere una buona stabilità meccanica e un'efficienza potenziale più elevata e diventare gradualmente un materiale ideale per l'emissione di luce rossa a livello di micron.

Attualmente, i micro-LED rossi InGaN vengono per lo più coltivati ​​su substrati di zaffiro modellati o introducono pseudo-substrati GaN su substrati di zaffiro. Se applicato alla tecnologia dei display stampati a trasferimento, è necessario un processo di sollevamento laser relativamente costoso per rimuovere il substrato nativo. Essendo un substrato di crescita con un grande potenziale di applicazione commerciale, il silicio può ottenere wafer di alta qualità e di ampia area a bassi costi di produzione. Tuttavia, finora, ci sono pochi rapporti sul micro-LED rosso InGaN con substrato di silicio e mancano ricerche dettagliate sulle prestazioni del dispositivo e sui campi di applicazione.

A tal fine, il gruppo di ricerca ha selezionato il Micro-LED rosso InGaN del substrato di silicio come oggetto di ricerca e ha analizzato i cambiamenti di lunghezza d'onda/colore di pixel di diverse dimensioni all'aumentare della corrente per ottenere una visualizzazione multicolore e una trasmissione di dati a più lunghezze d'onda (Figura 2 ). Regolando la dimensione dei pixel e iniettando corrente, è stato osservato un significativo fenomeno di spostamento del blu, con lo spostamento della lunghezza d'onda dalla luce rossa alla luce verde. Con un'elevata densità di corrente di 100 A/cm2, la lunghezza d'onda di picco di tutti i pixel supera i 630 nm, il che può soddisfare scenari applicativi che richiedono un'elevata densità di corrente, come la realtà aumentata, la realtà virtuale e altri campi. All’aumentare della densità di corrente, anche le coordinate CIE si spostano dall’area a luce rossa a quella a luce verde, mostrando una gamma di colori più ampia. L'emissione di luce multicolore con luminosità uniforme si ottiene regolando il ciclo di lavoro, dimostrando il suo potenziale applicativo nei display microLED multicolori a chip singolo. Successivamente sono state discusse in dettaglio le caratteristiche di visualizzazione del pixel da 80 μm. Con una densità di corrente bassa di 2 A/cm2 l'EQE ha raggiunto lo 0,19%, mentre con una densità di corrente di 100 A/cm2 l'EQE è stato dello 0,14%.

Figura 2 (a) Rappresentazione schematica della struttura di un dispositivo Micro-LED a emissione dall'alto; (b) foto SEM del pixel a luce rossa preparato da 20μm; (c) Foto al microscopio ottico di un pixel rosso da 80 μm con una densità di corrente di 20 A/cm2.

I ricercatori hanno ulteriormente testato le prestazioni di comunicazione di pixel rossi di diverse dimensioni e hanno scoperto che la larghezza di banda di modulazione dei micro-LED rossi InGaN (dimensioni inferiori a 100 μm) su substrati di silicio superava i 400 MHz, rendendoli molto adatti alla trasmissione dei dati (Figura 3) . Per un pixel da 40μm, la larghezza di banda di modulazione massima che può essere raggiunta quando si emette luce rossa, luce gialla e luce verde è rispettivamente 112,67 MHz, 126,38 MHz e 533,15 MHz. Tra questi, la larghezza di banda di modulazione ottenuta quando viene emessa la luce verde è la larghezza di banda record dei micro-LED con regolazione del colore segnalata finora, dimostrando i suoi enormi vantaggi nelle comunicazioni a luce visibile multicolore.

Figura 3 (a) Larghezza di banda di modulazione -3 dB in funzione della densità di corrente per tutte le dimensioni di pixel. (b) Curve di risposta in frequenza di pixel da 40μm a 80, 600 e 5000 A/cm2, corrispondenti rispettivamente alle lunghezze d'onda di 640 nm (luce rossa), 584 nm (luce gialla) e 533 nm (luce verde).

Successivamente, è stato proposto uno schema di multiplexing a divisione di lunghezza d'onda multicolore a chip singolo (Figura 4). Micro-LED con diverse lunghezze d'onda di emissione vengono utilizzati all'estremità di trasmissione della comunicazione a luce visibile, con la velocità di trasmissione dati massima consentita che raggiunge 2,35 Gbps. Questo è il primo rapporto sul substrato di silicio InGaN a luce rossa Micro-LED utilizzato nella comunicazione a luce visibile. Grazie all’elevata integrazione e miniaturizzazione dei pixel, questo dispositivo ha un grande potenziale di applicazione in campi come i dispositivi di comunicazione indossabili e gli orologi intelligenti e si prevede che in futuro ridurrà la complessità dell’integrazione complessiva del sistema.

Figura 4 Rappresentazione schematica del dispositivo sperimentale del sistema WDM-OWC.

Link correlati:

Collegamento cartaceo:https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875

Collegamento al rapporto sulla colonna:https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/apr/fudan-210423.shtml