復旦大学、ラティスパワーセミコンダクターと協力、可視光通信用シリコン基板InGaN赤色光マイクロLEDの研究結果を初報告

最近、復旦大学と江西格子パワー半導体は、シリコンベースのInGaN赤色光マイクロLEDのマルチカラーディスプレイと高速可視光通信への応用に関する研究結果について共同研究した。 「シリコン基板上の赤色 InGaN マイクロ LED: マルチカラー ディスプレイと波長分割多重可視光通信の可能性」というタイトルが、光通信分野のトップ国際ジャーナル「Lightwave Technology Magazine」(IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology) に掲載されました。 ）。 この結果が発表された後、有名な国際半導体業界誌「Semiconductor Today」は「可視光通信用赤色InGaN LED」（可視光通信用赤色InGaN LED）レポートと題したコラムを掲載し、「復丹大学と江西格子パワー半導体」と述べた。研究チームは、可視光通信用のシリコン基板上の赤色発光マイクロLEDを初めて報告し、ディスプレイやマルチ用の赤色から緑色への電流の関数として、さまざまなサイズのマイクロLEDの波長/色も研究した。 -波長データ伝送。」

図 1 「Semiconductor Today」レポートのスクリーンショット。

新興技術としてのマイクロ LED は、次世代の高度なディスプレイ システム、可視光通信、光遺伝学において大きな可能性を示しています。 成熟した緑色および青色の GaN 材料システムと比較して、赤色マイクロ LED の開発は大きな課題に直面しています。 一般に赤色 LED はリン化アルミニウム インジウム ガリウム (AlInGaP) 材料で作られていますが、チップ サイズがミクロン レベルまで縮小すると、AlInGaP ベースのマイクロ LED の効率は大幅に低下します。 さらに、AlInGaP は既存の GaN ベースの緑色および青色 LED 材料システムと互換性がありません。 理論的には、InGaN材料は、多重量子井戸のインジウム含有量を調整することで可視スペクトル全体をカバーでき、優れた機械的安定性と高い潜在効率を備え、ミクロンレベルの赤色発光にとって理想的な材料となりつつあります。

現在、InGaN 赤色マイクロ LED は主にパターン化されたサファイア基板上に成長するか、サファイア基板上に GaN 擬似基板を導入しています。 転写印刷ディスプレイ技術に適用すると、ネイティブ基板を除去するために比較的高価なレーザーリフトオフプロセスが必要になります。 商業応用の可能性が大きい成長基板として、シリコンは、低い製造コストで大面積の高品質のウェーハを得ることができます。 しかし、これまでのところ、シリコン基板InGaN赤色マイクロLEDに関する報告はほとんどなく、そのデバイス性能や応用分野に関する詳細な研究は不足しています。

この目的のために、研究チームは研究対象としてシリコン基板InGaN赤色マイクロLEDを選択し、電流の増加に伴うさまざまなサイズのピクセルの波長/色の変化を分析して、マルチカラーディスプレイとマルチ波長データ伝送を実現しました(図2) ）。 ピクセルサイズを調整して電流を注入すると、波長が赤色光から緑色光にシフトする顕著なブルーシフト現象が観察された。 100 A/cm2 の高電流密度では、すべてのピクセルのピーク波長が 630 nm を超え、拡張現実、仮想現実、その他の分野など、高電流密度が必要なアプリケーション シナリオに対応できます。 電流密度が増加すると、CIE 座標も赤色光領域から緑色光領域にシフトし、より広い色域を示します。 デューティサイクルを調整することで均一な明るさのマルチカラー発光が実現され、シングルチップのマルチカラーマイクロLEDディスプレイへの応用可能性が実証されています。 続いて、80μm画素の表示特性について詳しく議論した。 2 A/cm2 の低電流密度では EQE は 0.19% に達し、100A/cm2 の電流密度では EQE は 0.14% でした。

図 2 (a) トップエミッション型マイクロ LED デバイスの構造の概略図。 (b) 準備された 20 μm 赤色光ピクセルの SEM 写真。 (c) 電流密度 20 A/cm2 における 80 μm の赤色ピクセルの光学顕微鏡写真。

研究者らはさらに、さまざまなサイズの赤色ピクセルの通信性能をテストし、シリコン基板上のInGaN赤色マイクロLED（サイズ100μm未満）の変調帯域幅が400MHzを超え、データ送信に非常に適していることを発見しました（図3）。 。 40μm ピクセルの場合、赤色光、黄色光、緑色光を発光するときに達成できる最大変調帯域幅は、それぞれ 112.67 MHz、126.38 MHz、533.15 MHz です。 そのうち、緑色光が放射されるときに達成される変調帯域幅は、これまでに報告されている色調整可能なマイクロLEDの記録的な帯域幅であり、多色の可視光通信においてその大きな利点を示しています。

図 3 (a) すべてのピクセル サイズの電流密度の関数としての -3dB 変調帯域幅。 (b) 80、600、5000 A/cm2 での 40μm ピクセルの周波数応答曲線。それぞれ 640 nm (赤色光)、584 nm (黄色光)、533 nm (緑色光) の波長に対応します。

その後、単一チップのマルチカラー波長分割多重方式が提案されました (図 4)。 可視光通信の送信端では異なる発光波長を持つマイクロLEDが使用され、最大許容伝送データレートは2.35Gbpsに達します。 これは、シリコン基板InGaN赤色光マイクロLEDが可視光通信に使用された最初の報告です。 このデバイスは、画素の高集積化と微細化により、ウェアラブル通信機器やスマートウォッチなどの分野での応用可能性が大きく、将来的にはシステム全体の統合の複雑性が軽減されることが期待されています。

図4 WDM-OWCシステムの実験装置の概略図。

関連リンク：

論文リンク:https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875

コラムレポートのリンク:https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/apr/fudan-210423.shtml