Uniwersytet Fudan współpracuje z Lattice Power Semiconductor, aby po raz pierwszy przedstawić wyniki badań podłoża krzemowego InGaN czerwonego światła Micro-LED do komunikacji w świetle widzialnym

Niedawno Uniwersytet Fudan i Jiangxi Lattice Power Semiconductor współpracowały nad wynikami badań nad zastosowaniem krzemowej diody LED InGaN o czerwonym świetle w wielokolorowych wyświetlaczach i szybkiej komunikacji w świetle widzialnym. Tytuł „Red InGaN Micro-LEDs on Silicon Substrates: Potential for Multicolor Display and Wavelength Division Multiplexing Visible Light Communication” ukazał się w czołowym międzynarodowym czasopiśmie z zakresu komunikacji optycznej „Lightwave Technology Magazine” (IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology ). Po opublikowaniu wyników słynny międzynarodowy magazyn branży półprzewodników „Semiconductor Today” opublikował felieton zatytułowany „Red InGaN LEDs forwidoczna komunikacja w świetle widzialnym” (Red InGaN LEDs for Visual Light Communications), w którym stwierdzono, że „Fudan University i Jiangxi Lattice Power Semiconductor po raz pierwszy doniesiono o mikrodiodach elektroluminescencyjnych emitujących światło czerwone na podłożach krzemowych do komunikacji w świetle widzialnym Zespół zbadał także długość fali/kolor mikrodiod LED o różnych rozmiarach jako funkcję prądu od czerwonego do zielonego w wyświetlaczach i urządzeniach wielofunkcyjnych. -transmisja danych o długości fali.

Rysunek 1 Zrzut ekranu raportu „Semiconductor Today”.

Micro-LED, jako nowa technologia, wykazuje ogromny potencjał w zaawansowanych systemach wyświetlania nowej generacji, komunikacji w świetle widzialnym i optogenetyce. W porównaniu z dojrzałymi zielonymi i niebieskimi systemami materiałów GaN, rozwój czerwonych diod Micro-LED stoi przed ogromnymi wyzwaniami. Zwykle czerwone diody LED są wykonane z materiału z fosforku glinowo-indowo-galowego (AlInGaP), ale w miarę zmniejszania się rozmiaru chipa do poziomu mikronów wydajność mikrodiod LED opartych na AlInGaP znacznie spada. Ponadto AlInGaP jest niekompatybilny z istniejącymi systemami materiałów zielonych i niebieskich LED na bazie GaN. Teoretycznie materiały InGaN mogą pokrywać całe widmo widzialne poprzez dostosowanie zawartości indu w wielu studniach kwantowych i mają dobrą stabilność mechaniczną oraz wyższą potencjalną wydajność, dzięki czemu stopniowo stają się idealnym materiałem do emisji światła czerwonego na poziomie mikronów.

Obecnie czerwone mikro-diody LED InGaN są głównie hodowane na wzorzystych podłożach szafirowych lub wprowadzane pseudopodłoża GaN na podłoża szafirowe. W przypadku zastosowania w technologii wyświetlaczy z nadrukiem transferowym wymagany jest stosunkowo kosztowny proces odrywania laserowego w celu usunięcia rodzimego podłoża. Jako substrat wzrostowy o dużym potencjale zastosowań komercyjnych, krzem pozwala uzyskać wysokiej jakości płytki o dużej powierzchni przy niskich kosztach produkcji. Jednak jak dotąd istnieje niewiele raportów na temat podłoża krzemowego InGaN Red Micro-LED, brakuje natomiast szczegółowych badań na temat wydajności urządzenia i obszarów zastosowań.

W tym celu zespół badawczy wybrał podłoże krzemowe InGaN red Micro-LED jako obiekt badawczy i przeanalizował zmiany długości fali/koloru pikseli o różnych rozmiarach wraz ze wzrostem prądu, aby uzyskać wielokolorowy wyświetlacz i transmisję danych o wielu długościach fal (rysunek 2). ). Dostosowując rozmiar piksela i wstrzykiwając prąd, zaobserwowano znaczące zjawisko przesunięcia koloru niebieskiego, polegające na zmianie długości fali ze światła czerwonego na światło zielone. Przy wysokiej gęstości prądu wynoszącej 100 A/cm2 szczytowa długość fali wszystkich pikseli przekracza 630 nm, co może spełnić scenariusze zastosowań wymagających dużej gęstości prądu, takie jak rzeczywistość rozszerzona, rzeczywistość wirtualna i inne dziedziny. Wraz ze wzrostem gęstości prądu współrzędne CIE również przesuwają się z obszaru światła czerwonego do obszaru światła zielonego, pokazując szerszą gamę kolorów. Wielobarwną emisję światła o jednolitej jasności uzyskuje się poprzez regulację cyklu pracy, co demonstruje jego potencjał aplikacyjny w jednochipowych, wielokolorowych wyświetlaczach mikro-LED. Następnie szczegółowo omówiono charakterystykę wyświetlania piksela 80 µm. Przy małej gęstości prądu wynoszącej 2 A/cm2 EQE osiągnęło 0,19%, a przy gęstości prądu 100 A/cm2 EQE wyniosło 0,14%.

Rysunek 2 (a) Schemat ideowy struktury urządzenia Micro-LED o najwyższej emisji; (b) zdjęcie SEM przygotowanego piksela światła czerwonego o wielkości 20 μm; (c) Zdjęcie z mikroskopu optycznego czerwonego piksela o średnicy 80 μm przy gęstości prądu 20 A/cm2.

Naukowcy zbadali dalej wydajność komunikacji czerwonych pikseli o różnych rozmiarach i odkryli, że szerokość pasma modulacji czerwonych diod LED InGaN (o rozmiarze mniejszym niż 100 μm) na podłożach krzemowych przekraczała 400 MHz, co czyni je bardzo odpowiednimi do transmisji danych (rysunek 3). . W przypadku piksela o wielkości 40 μm maksymalna szerokość pasma modulacji, jaką można osiągnąć podczas emisji światła czerwonego, żółtego i zielonego, wynosi odpowiednio 112,67 MHz, 126,38 MHz i 533,15 MHz. Wśród nich szerokość pasma modulacji osiągnięta podczas emisji zielonego światła jest rekordową dotychczas odnotowaną szerokością pasma dostrajalnych kolorów diod Micro-LED, co pokazuje jej ogromne zalety w komunikacji w wielokolorowym świetle widzialnym.

Rysunek 3 (a) Szerokość pasma modulacji -3dB jako funkcja gęstości prądu dla wszystkich rozmiarów pikseli. b) Krzywe odpowiedzi częstotliwościowej pikseli o wielkości 40 μm przy 80, 600 i 5000 A/cm2, odpowiadające długościom fali odpowiednio 640 nm (światło czerwone), 584 nm (światło żółte) i 533 nm (światło zielone).

Następnie zaproponowano jednoukładowy, wielokolorowy schemat multipleksowania z podziałem długości fali (rysunek 4). Na końcu nadawczym komunikacji w świetle widzialnym stosowane są mikrodiody LED o różnych długościach fal emisji, przy maksymalnej dozwolonej szybkości transmisji danych sięgającej 2,35 Gb/s. To pierwsze doniesienie o zastosowaniu krzemowego podłoża InGaN w technologii czerwonego światła Micro-LED w komunikacji w świetle widzialnym. Ze względu na wysoką integrację i miniaturyzację pikseli urządzenie to ma ogromny potencjał aplikacyjny w takich dziedzinach, jak przenośne urządzenia komunikacyjne i inteligentne zegarki, i oczekuje się, że w przyszłości zmniejszy złożoność ogólnej integracji systemów.

Rysunek 4 Schemat ideowy urządzenia doświadczalnego systemu WDM-OWC.

Powiązane linki:

Link do papieru:https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875

Link do raportu kolumnowego:https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/apr/fudan-210423.shtml