Universiti Fudan bekerjasama dengan Lattice Power Semiconductor untuk melaporkan buat kali pertama hasil penyelidikan substrat silikon InGaN lampu merah Micro-LED untuk komunikasi cahaya yang boleh dilihat

Baru-baru ini, Universiti Fudan dan Jiangxi Lattice Power Semiconductor bekerjasama dalam hasil penyelidikan mengenai penggunaan lampu merah InGaN berasaskan silikon Micro-LED dalam paparan berbilang warna dan komunikasi cahaya nampak berkelajuan tinggi. Tajuk "LED Mikro InGaN Merah pada Substrat Silikon: Potensi untuk Paparan Pelbagai Warna dan Bahagian Panjang Gelombang Multiplexing Visible Light Communication" telah diterbitkan dalam jurnal antarabangsa teratas dalam bidang komunikasi optik "Majalah Teknologi Gelombang Cahaya" (IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology ). Selepas keputusan diterbitkan, majalah industri semikonduktor antarabangsa yang terkenal "Semiconductor Today" menerbitkan lajur bertajuk "LED InGaN Merah untuk komunikasi cahaya boleh dilihat" (LED InGaN Merah untuk komunikasi cahaya boleh dilihat) laporan, menyatakan bahawa "Universiti Fudan dan Jiangxi Lattice Power Semiconductor dilaporkan buat kali pertama diod pemancar cahaya mikro pemancar merah pada substrat silikon untuk komunikasi cahaya yang boleh dilihat Pasukan ini juga mengkaji panjang gelombang/warna LED mikro pelbagai saiz sebagai fungsi arus merah ke hijau untuk paparan dan berbilang. -penghantaran data panjang gelombang."

Rajah 1 Tangkapan skrin laporan "Semikonduktor Hari Ini".

Micro-LED, sebagai teknologi baru muncul, menunjukkan potensi besar dalam sistem paparan maju generasi akan datang, komunikasi cahaya boleh dilihat dan optogenetik. Berbanding dengan sistem bahan GaN hijau dan biru matang, pembangunan Micro-LED merah menghadapi cabaran besar. Biasanya LED merah diperbuat daripada bahan aluminium indium gallium phosphide (AlInGaP), tetapi apabila saiz cip mengecil ke tahap mikron, kecekapan LED Mikro berasaskan AlInGaP akan berkurangan dengan ketara. Selain itu, AlInGaP tidak serasi dengan sistem bahan LED hijau dan biru berasaskan GaN sedia ada. Secara teorinya, bahan InGaN boleh meliputi keseluruhan spektrum yang boleh dilihat dengan melaraskan kandungan indium dalam berbilang telaga kuantum, dan mempunyai kestabilan mekanikal yang baik dan kecekapan potensi yang lebih tinggi, dan secara beransur-ansur menjadi bahan yang ideal untuk pelepasan cahaya merah peringkat mikron.

Pada masa ini, Micro-LED merah InGaN kebanyakannya ditanam pada substrat nilam bercorak atau memperkenalkan substrat pseudo GaN pada substrat nilam. Jika digunakan pada teknologi paparan cetakan pindahan, proses angkat laser yang agak mahal diperlukan untuk mengeluarkan substrat asli. Sebagai substrat pertumbuhan dengan potensi aplikasi komersil yang hebat, silikon boleh mendapatkan wafer berkualiti tinggi keluasan luas pada kos pembuatan yang rendah. Walau bagaimanapun, setakat ini, terdapat beberapa laporan mengenai substrat silikon InGaN merah Micro-LED, kurang penyelidikan terperinci mengenai prestasi peranti dan bidang aplikasinya.

Untuk tujuan ini, pasukan penyelidik memilih substrat silikon InGaN merah Mikro-LED sebagai objek penyelidikan dan menganalisis perubahan panjang gelombang/warna piksel yang berbeza saiz apabila arus meningkat untuk mencapai paparan berbilang warna dan penghantaran data berbilang panjang gelombang (Rajah 2). ). Dengan melaraskan saiz piksel dan menyuntik arus, fenomena anjakan biru yang ketara telah diperhatikan, dengan panjang gelombang beralih daripada lampu merah ke lampu hijau. Pada ketumpatan arus tinggi 100 A/cm2, panjang gelombang puncak semua piksel melebihi 630 nm, yang boleh memenuhi senario aplikasi yang memerlukan ketumpatan arus tinggi, seperti realiti tambahan, realiti maya dan medan lain. Apabila ketumpatan semasa meningkat, koordinat CIE juga beralih dari kawasan lampu merah ke kawasan lampu hijau, menunjukkan gamut warna yang lebih luas. Pancaran cahaya berbilang warna dengan kecerahan seragam dicapai dengan melaraskan kitaran tugas, menunjukkan potensi aplikasinya dalam paparan LED mikro cip tunggal berbilang warna. Selepas itu, ciri paparan piksel 80 μm telah dibincangkan secara terperinci. Pada ketumpatan arus rendah 2 A/cm2, EQE mencapai 0.19%, dan pada ketumpatan arus 100A/cm2, EQE ialah 0.14%.

Rajah 2 (a) Gambarajah skematik struktur peranti Micro-LED pemancar atas; (b) Foto SEM bagi piksel cahaya merah 20μm yang disediakan; (c) Foto mikroskop optik bagi piksel merah 80 μm pada ketumpatan arus 20 A/cm2.

Para penyelidik selanjutnya menguji prestasi komunikasi piksel merah dengan saiz yang berbeza dan mendapati bahawa lebar jalur modulasi InGaN merah Mikro-LED (saiz kurang daripada 100 μm) pada substrat silikon melebihi 400 MHz, menjadikannya sangat sesuai untuk penghantaran data (Rajah 3) . Untuk piksel 40μm, lebar jalur modulasi maksimum yang boleh dicapai apabila memancarkan cahaya merah, cahaya kuning dan lampu hijau masing-masing ialah 112.67 MHz, 126.38 MHz dan 533.15 MHz. Antaranya, lebar jalur modulasi yang dicapai apabila lampu hijau dipancarkan ialah lebar jalur rekod bagi Micro-LED boleh tala warna yang dilaporkan setakat ini, menunjukkan kelebihan besarnya dalam komunikasi cahaya boleh dilihat berbilang warna.

Rajah 3 (a) -3dB modulasi lebar jalur sebagai fungsi ketumpatan arus untuk semua saiz piksel. (b) Keluk tindak balas frekuensi 40μm piksel pada 80, 600 dan 5000 A/cm2, sepadan dengan panjang gelombang 640 nm (cahaya merah), 584 nm (cahaya kuning) dan 533 nm (cahaya hijau) masing-masing.

Selepas itu, satu cip tunggal, skema pemultipleksan pembahagian panjang gelombang berbilang warna telah dicadangkan (Rajah 4). Mikro-LED dengan panjang gelombang pancaran berbeza digunakan pada hujung penghantaran komunikasi cahaya yang boleh dilihat, dengan kadar data penghantaran maksimum yang dibenarkan mencapai 2.35 Gbps. Ini adalah laporan pertama substrat silikon InGaN lampu merah Micro-LED yang digunakan dalam komunikasi cahaya kelihatan. Disebabkan penyepaduan tinggi dan pengecilan piksel, peranti ini mempunyai potensi aplikasi yang hebat dalam bidang seperti peranti komunikasi boleh pakai dan jam tangan pintar, dan dijangka mengurangkan kerumitan penyepaduan sistem keseluruhan pada masa hadapan.

Rajah 4 Diagram skematik peranti eksperimen sistem WDM-OWC.

Pautan Berkaitan:

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

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