A Universidade Fudan coopera com a Lattice Power Semiconductor para relatar pela primeira vez os resultados da pesquisa do substrato de silício InGaN luz vermelha Micro-LED para comunicação de luz visível

Recentemente, a Universidade Fudan e a Jiangxi Lattice Power Semiconductor colaboraram nos resultados da pesquisa sobre a aplicação de Micro-LED de luz vermelha InGaN à base de silício em displays multicoloridos e comunicações de luz visível de alta velocidade. O título "Red InGaN Micro-LEDs on Silicon Substrates: Potential for Multicolor Display and Wavelength Division Multiplexing Visible Light Communication" foi publicado na principal revista internacional na área de comunicações ópticas "Lightwave Technology Magazine" (IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology ). Depois que os resultados foram publicados, a famosa revista internacional da indústria de semicondutores "Semiconductor Today" publicou uma coluna intitulada "LEDs vermelhos InGaN para comunicação de luz visível" (LEDs vermelhos InGaN para comunicação de luz visível), afirmando que "Universidade Fudan e Jiangxi Lattice Power Semiconductor relataram pela primeira vez diodos emissores de microluz emissores de vermelho em substratos de silício para comunicações de luz visível. A equipe também estudou o comprimento de onda/cor de micro-LEDs de vários tamanhos em função da corrente de vermelho a verde para exibição e multi. -transmissão de dados em comprimento de onda."

Figura 1 Captura de tela do relatório "Semiconductor Today".

O micro-LED, como tecnologia emergente, apresenta grande potencial em sistemas de exibição avançados de próxima geração, comunicações de luz visível e optogenética. Comparado com sistemas maduros de materiais GaN verdes e azuis, o desenvolvimento de Micro-LEDs vermelhos enfrenta enormes desafios. Normalmente, os LEDs vermelhos são feitos de material de fosfeto de alumínio, índio e gálio (AlInGaP), mas à medida que o tamanho do chip diminui para o nível de mícron, a eficiência dos Micro-LEDs baseados em AlInGaP diminuirá significativamente. Além disso, o AlInGaP é incompatível com os sistemas existentes de materiais LED verdes e azuis baseados em GaN. Teoricamente, os materiais InGaN podem cobrir todo o espectro visível ajustando o conteúdo de índio em vários poços quânticos e ter boa estabilidade mecânica e maior eficiência potencial, tornando-se gradualmente um material ideal para emissão de luz vermelha em nível de mícron.

Atualmente, os Micro-LEDs vermelhos InGaN são cultivados principalmente em substratos de safira padronizados ou introduzem pseudo-substratos de GaN em substratos de safira. Se aplicado à tecnologia de display impresso por transferência, é necessário um processo de remoção a laser relativamente caro para remover o substrato nativo. Como substrato de crescimento com grande potencial de aplicação comercial, o silício pode obter wafers de alta qualidade e grandes áreas com baixos custos de fabricação. No entanto, até o momento, há poucos relatos sobre Micro-LED vermelho InGaN com substrato de silício, carecendo de pesquisas detalhadas sobre o desempenho do dispositivo e campos de aplicação.

Para este fim, a equipe de pesquisa selecionou o substrato de silício InGaN red Micro-LED como objeto de pesquisa e analisou as mudanças de comprimento de onda/cor de pixels de diferentes tamanhos à medida que a corrente aumenta para obter exibição multicolorida e transmissão de dados em vários comprimentos de onda (Figura 2 ). Ao ajustar o tamanho do pixel e injetar corrente, foi observado um fenômeno significativo de deslocamento para o azul, com o comprimento de onda mudando da luz vermelha para a luz verde. Com uma alta densidade de corrente de 100 A/cm2, o comprimento de onda de pico de todos os pixels excede 630 nm, o que pode atender a cenários de aplicação que exigem alta densidade de corrente, como realidade aumentada, realidade virtual e outros campos. À medida que a densidade da corrente aumenta, as coordenadas CIE também mudam da área de luz vermelha para a área de luz verde, mostrando uma gama de cores mais ampla. A emissão de luz multicolorida com brilho uniforme é obtida ajustando o ciclo de trabalho, demonstrando seu potencial de aplicação em displays micro-LED multicoloridos e de chip único. Posteriormente, as características de exibição do pixel de 80 μm foram discutidas em detalhes. Em uma densidade de corrente baixa de 2 A/cm2, o EQE atingiu 0,19%, e em uma densidade de corrente de 100A/cm2, o EQE foi de 0,14%.

Figura 2 (a) Diagrama esquemático da estrutura de um dispositivo Micro-LED de emissão superior; (b) foto SEM do pixel de luz vermelha de 20μm preparado; (c) Foto de microscópio óptico de um pixel vermelho de 80 μm a uma densidade de corrente de 20 A/cm2.

Os pesquisadores testaram ainda o desempenho de comunicação de pixels vermelhos de diferentes tamanhos e descobriram que a largura de banda de modulação dos Micro-LEDs vermelhos InGaN (tamanho inferior a 100 μm) em substratos de silício excedeu 400 MHz, tornando-os muito adequados para transmissão de dados (Figura 3). . Para um pixel de 40 μm, a largura de banda máxima de modulação que pode ser alcançada ao emitir luz vermelha, luz amarela e luz verde é 112,67 MHz, 126,38 MHz e 533,15 MHz, respectivamente. Entre eles, a largura de banda de modulação alcançada quando a luz verde é emitida é a largura de banda recorde dos Micro-LEDs com ajuste de cor relatados até agora, demonstrando suas enormes vantagens em comunicações de luz visível multicoloridas.

Figura 3 (a) Largura de banda de modulação de -3dB em função da densidade de corrente para todos os tamanhos de pixel. (b) Curvas de resposta de frequência de pixels de 40μm a 80, 600 e 5000 A/cm2, correspondentes aos comprimentos de onda de 640 nm (luz vermelha), 584 nm (luz amarela) e 533 nm (luz verde), respectivamente.

Posteriormente, foi proposto um esquema de multiplexação por divisão de comprimento de onda multicolorido e de chip único (Figura 4). Micro-LEDs com diferentes comprimentos de onda de emissão são usados ​​na extremidade de transmissão da comunicação de luz visível, com a taxa máxima de dados de transmissão permitida atingindo 2,35 Gbps. Este é o primeiro relato de Micro-LED de luz vermelha InGaN com substrato de silício sendo usado na comunicação de luz visível. Devido à alta integração e miniaturização de pixels, este dispositivo tem grande potencial de aplicação em áreas como dispositivos de comunicação vestíveis e relógios inteligentes, e espera-se que reduza a complexidade da integração geral do sistema no futuro.

Figura 4 Diagrama esquemático do dispositivo experimental do sistema WDM-OWC.

Links Relacionados:

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

Link do relatório da coluna:https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/apr/fudan-210423.shtml