복단대학교는 Lattice Power Semiconductor와 협력하여 최초로 가시광 통신용 실리콘 기판 InGaN 적색광 마이크로 LED 연구 결과를 보고했습니다.

최근 Fudan University와 Jiangxi Lattice Power Semiconductor는 다색 디스플레이 및 고속 가시광 통신에 실리콘 기반 InGaN 적색광 마이크로 LED를 적용하는 연구 결과를 공동으로 연구했습니다. "Red InGaN Micro-LEDs on Silicon Substrates: Potential for Multicolor Display and Wavelength Division Multiplexing Visible Light Communication"이라는 제목이 광통신 분야 최고의 국제 저널인 "Lightwave Technology Magazine"(IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology)에 게재되었습니다. ). 연구 결과가 발표된 후, 세계적인 반도체 산업 전문지 '반도체 투데이'는 '가시광 통신을 위한 Red InGaN LED'(Red InGaN LEDs for visible light communications)라는 제목의 칼럼을 게재하며 '푸단대학교와 장시 래티스 파워 반도체(Fudan University and Jiangxi Lattice Power Semiconductor)는 연구팀은 가시광 통신을 위한 실리콘 기판의 적색 방출 마이크로 발광 다이오드를 최초로 보고했습니다. 또한, 팀은 디스플레이 및 멀티용 적색에서 녹색까지의 전류 함수로서 다양한 크기의 마이크로 LED의 파장/색상을 연구했습니다. -파장 데이터 전송."

그림 1 "Semiconductor Today" 보고서의 스크린샷.

마이크로 LED는 신흥 기술로서 차세대 고급 디스플레이 시스템, 가시광 통신 및 광유전학 분야에서 큰 잠재력을 보여줍니다. 성숙한 녹색 및 파란색 GaN 재료 시스템과 비교할 때 빨간색 마이크로 LED의 개발은 큰 과제에 직면해 있습니다. 일반적으로 빨간색 LED는 알루미늄 인듐 갈륨 인화물(AlInGaP) 소재로 만들어지지만, 칩 크기가 미크론 수준으로 줄어들면 AlInGaP 기반 마이크로 LED의 효율은 크게 감소합니다. 또한 AlInGaP는 기존 GaN 기반 녹색 및 청색 LED 재료 시스템과 호환되지 않습니다. 이론적으로 InGaN 재료는 여러 양자 우물의 인듐 함량을 조정하여 전체 가시 스펙트럼을 포괄할 수 있으며 우수한 기계적 안정성과 더 높은 잠재적 효율을 가지며 점차 미크론 수준의 적색광 방출에 이상적인 재료가 되고 있습니다.

현재 InGaN 적색 마이크로 LED는 대부분 패턴화된 사파이어 기판에서 성장하거나 사파이어 기판에 GaN 유사 기판을 도입합니다. 전사 인쇄 디스플레이 기술에 적용할 경우 기본 기판을 제거하려면 상대적으로 비용이 많이 드는 레이저 리프트 오프 공정이 필요합니다. 실리콘은 상업적 응용 가능성이 큰 성장 기판으로서 낮은 제조 비용으로 대면적, 고품질 웨이퍼를 얻을 수 있습니다. 그러나 지금까지 실리콘 기판 InGaN red Micro-LED에 대한 보고는 거의 없어 소자 성능 및 응용 분야에 대한 자세한 연구가 부족합니다.

이를 위해 연구팀은 실리콘 기판 InGaN red Micro-LED를 연구 대상으로 선정하고, 다색 디스플레이 및 다파장 데이터 전송을 구현하기 위해 전류 증가에 따른 다양한 크기의 픽셀의 파장/색상 변화를 분석했습니다(그림 2). ). 픽셀 크기와 주입 전류를 조정함으로써 파장이 빨간색 빛에서 녹색 빛으로 이동하는 상당한 파란색 이동 현상이 관찰되었습니다. 100A/cm2의 높은 전류 밀도에서 모든 픽셀의 피크 파장은 630nm를 초과하므로 증강 현실, 가상 현실 및 기타 분야와 같이 높은 전류 밀도가 필요한 애플리케이션 시나리오를 충족할 수 있습니다. 전류 밀도가 증가함에 따라 CIE 좌표도 빨간색 빛 영역에서 녹색 빛 영역으로 이동하여 더 넓은 색 영역을 나타냅니다. 듀티 사이클을 조정하여 균일한 밝기의 다색 발광이 달성되어 단일 칩, 다색 마이크로 LED 디스플레이에 적용 가능성이 입증되었습니다. 이어서 80μm 픽셀의 디스플레이 특성에 대해 자세히 논의했다. 2A/cm2의 낮은 전류밀도에서는 EQE가 0.19%에 이르렀고, 100A/cm2의 전류밀도에서는 EQE가 0.14%에 이르렀다.

그림 2 (a) 전면 발광형 마이크로 LED 장치 구조의 개략도. (b) 준비된 20μm 적색광 픽셀의 SEM 사진; (c) 전류 밀도 20A/cm2에서 80μm 적색 픽셀의 광학 현미경 사진.

연구원들은 다양한 크기의 빨간색 픽셀의 통신 성능을 추가로 테스트한 결과 실리콘 기판에서 InGaN 빨간색 마이크로 LED(크기 100μm 미만)의 변조 대역폭이 400MHz를 초과하여 데이터 전송에 매우 적합하다는 사실을 발견했습니다(그림 3). . 40μm 픽셀의 경우 빨간색 빛, 노란색 빛, 녹색 빛을 방출할 때 달성할 수 있는 최대 변조 대역폭은 각각 112.67MHz, 126.38MHz, 533.15MHz입니다. 그중 녹색광이 방출될 때 달성되는 변조 대역폭은 지금까지 보고된 색상 조정 가능한 마이크로 LED의 기록적인 대역폭으로, 다색 가시광 통신에서 큰 이점을 보여줍니다.

그림 3(a) 모든 픽셀 크기에 대한 전류 밀도의 함수로서 -3dB 변조 대역폭. (b) 80, 600 및 5000A/cm2에서 40μm 픽셀의 주파수 응답 곡선은 각각 640nm(빨간색 빛), 584nm(노란색 빛) 및 533nm(녹색 빛)의 파장에 해당합니다.

이어서 단일 칩, 다중 색상 파장 분할 다중화 방식이 제안되었습니다(그림 4). 다양한 방출 파장을 가진 마이크로 LED는 가시광 통신의 전송 끝에 사용되며 최대 허용 전송 데이터 속도는 2.35Gbps에 이릅니다. 이는 실리콘 기판 InGaN 적색광 마이크로 LED가 가시광 통신에 사용되는 첫 번째 보고서입니다. 이 장치는 픽셀의 고집적화 및 소형화로 인해 웨어러블 통신 기기, 스마트 시계 등의 분야에서 큰 응용 가능성을 가지며 향후 전체 시스템 통합의 복잡성을 줄일 것으로 예상됩니다.

그림 4 WDM-OWC 시스템 실험 장치의 개략도.

관련된 링크들:

논문 링크:https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875

칼럼 보고서 링크:https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/apr/fudan-210423.shtml