Fudan University werkt samen met Lattice Power Semiconductor om voor het eerst de onderzoeksresultaten te rapporteren van siliciumsubstraat InGaN rood licht Micro-LED voor communicatie met zichtbaar licht

Onlangs hebben Fudan University en Jiangxi Lattice Power Semiconductor samengewerkt aan de onderzoeksresultaten over de toepassing van op silicium gebaseerde InGaN roodlicht Micro-LED in meerkleurendisplays en snelle communicatie met zichtbaar licht. De titel "Red InGaN Micro-LEDs on Silicon Substrates: Potential for Multicolour Display and Wavelength Division Multiplexing Visible Light Communication" werd gepubliceerd in het internationale toptijdschrift op het gebied van optische communicatie "Lightwave Technology Magazine" (IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology ). Nadat de resultaten waren gepubliceerd, publiceerde het beroemde internationale tijdschrift voor de halfgeleiderindustrie "Semiconductor Today" een column met de titel "Red InGaN LEDs for zichtbaar lichtcommunicatie" (Red InGaN LEDs voor zichtbaar lichtcommunicatie) rapport, waarin staat dat "Fudan University en Jiangxi Lattice Power Semiconductor rapporteerde voor het eerst rood-emitterende micro-lichtgevende diodes op siliciumsubstraten voor zichtbare lichtcommunicatie. Het team bestudeerde ook de golflengte/kleur van micro-LED's van verschillende afmetingen als een functie van de stroom van rood naar groen voor weergave en multi. -golflengte datatransmissie."

Figuur 1 Schermafbeelding van het rapport 'Semiconductor Today'.

Micro-LED vertoont als opkomende technologie een groot potentieel in geavanceerde weergavesystemen van de volgende generatie, communicatie met zichtbaar licht en optogenetica. Vergeleken met volwassen groene en blauwe GaN-materiaalsystemen staat de ontwikkeling van rode micro-LED's voor enorme uitdagingen. Normaal gesproken zijn de rode LED's gemaakt van aluminium-indium-galliumfosfide (AlInGaP) materiaal, maar naarmate de chipgrootte krimpt tot op micronniveau, zal de efficiëntie van op AlInGaP gebaseerde micro-LED's aanzienlijk afnemen. Bovendien is AlInGaP niet compatibel met bestaande GaN-gebaseerde groene en blauwe LED-materiaalsystemen. Theoretisch kunnen InGaN-materialen het gehele zichtbare spectrum bestrijken door het indiumgehalte in meerdere kwantumputten aan te passen, en een goede mechanische stabiliteit en een hogere potentiële efficiëntie hebben, en geleidelijk een ideaal materiaal worden voor de emissie van rood licht op micronniveau.

Momenteel worden InGaN rode micro-LED's meestal gekweekt op saffiersubstraten met patronen of introduceren ze GaN-pseudo-substraten op saffiersubstraten. Indien toegepast op transfer-printed display-technologie is een relatief duur laser-lift-off-proces vereist om het oorspronkelijke substraat te verwijderen. Als groeisubstraat met een groot commercieel toepassingspotentieel kan silicium tegen lage productiekosten hoogwaardige wafers met een groot oppervlak verkrijgen. Tot nu toe zijn er echter weinig rapporten over siliciumsubstraat InGaN rode Micro-LED, waarbij gedetailleerd onderzoek naar de apparaatprestaties en toepassingsgebieden ontbreekt.

Daartoe selecteerde het onderzoeksteam siliciumsubstraat InGaN rode Micro-LED als onderzoeksobject en analyseerde de golflengte-/kleurveranderingen van pixels van verschillende groottes naarmate de stroom toeneemt om meerkleurenweergave en gegevensoverdracht met meerdere golflengten te bereiken (Figuur 2 ). Door de pixelgrootte aan te passen en stroom te injecteren, werd een significant fenomeen van blauwe verschuiving waargenomen, waarbij de golflengte verschoof van rood licht naar groen licht. Bij een hoge stroomdichtheid van 100 A/cm2 overschrijdt de piekgolflengte van alle pixels de 630 nm, wat kan voldoen aan toepassingsscenario's die een hoge stroomdichtheid vereisen, zoals augmented reality, virtual reality en andere velden. Naarmate de stroomdichtheid toeneemt, verschuiven de CIE-coördinaten ook van het roodlichtgebied naar het groenlichtgebied, waardoor een breder kleurengamma ontstaat. Meerkleurige lichtemissie met uniforme helderheid wordt bereikt door de werkcyclus aan te passen, wat het toepassingspotentieel ervan demonstreert in meerkleurige micro-LED-displays met één chip. Vervolgens werden de weergavekarakteristieken van de 80 μm pixel in detail besproken. Bij een lage stroomdichtheid van 2 A/cm2 bedroeg de EQE 0,19% en bij een stroomdichtheid van 100 A/cm2 bedroeg de EQE 0,14%.

Figuur 2 (a) Schematisch diagram van de structuur van een top-emitterend micro-LED-apparaat; (b) SEM-foto van de voorbereide roodlichtpixel van 20 μm; (c) Optische microscoopfoto van een rode pixel van 80 μm bij een stroomdichtheid van 20 A/cm2.

De onderzoekers testten verder de communicatieprestaties van rode pixels van verschillende groottes en ontdekten dat de modulatiebandbreedte van InGaN rode micro-LED's (grootte minder dan 100 μm) op siliciumsubstraten groter was dan 400 MHz, waardoor ze zeer geschikt zijn voor datatransmissie (Figuur 3). . Voor een pixel van 40 μm is de maximale modulatiebandbreedte die kan worden bereikt bij het uitstralen van rood licht, geel licht en groen licht respectievelijk 112,67 MHz, 126,38 MHz en 533,15 MHz. De modulatiebandbreedte die wordt bereikt wanneer groen licht wordt uitgezonden, is onder meer de recordbandbreedte van in kleur afstembare micro-LED's die tot nu toe zijn gerapporteerd, wat de enorme voordelen ervan op het gebied van meerkleurige communicatie met zichtbaar licht aantoont.

Figuur 3 (a) -3dB modulatiebandbreedte als functie van de stroomdichtheid voor alle pixelgroottes. (b) Frequentieresponscurven van 40 μm pixels bij 80, 600 en 5000 A/cm2, overeenkomend met de golflengten van respectievelijk 640 nm (rood licht), 584 nm (geel licht) en 533 nm (groen licht).

Vervolgens werd een multi-color multiplexingschema met golflengteverdeling met één chip voorgesteld (Figuur 4). Micro-LED's met verschillende emissiegolflengten worden gebruikt aan het zendeinde van de communicatie met zichtbaar licht, waarbij de maximaal toegestane transmissiesnelheid 2,35 Gbps bedraagt. Dit is het eerste rapport dat siliciumsubstraat InGaN roodlicht Micro-LED wordt gebruikt in communicatie met zichtbaar licht. Vanwege de hoge integratie en miniaturisatie van pixels heeft dit apparaat een groot toepassingspotentieel op gebieden als draagbare communicatieapparatuur en slimme horloges, en zal het naar verwachting de complexiteit van de algehele systeemintegratie in de toekomst verminderen.

Figuur 4 Schematisch diagram van het experimentele apparaat van het WDM-OWC-systeem.

Gerelateerde Links:

Papieren link:https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875

Kolomrapportlink:https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/apr/fudan-210423.shtml