Университет Фудань сотрудничает с Lattice Power Semiconductor, чтобы впервые сообщить о результатах исследования кремниевой подложки InGaN красного света. Микросветодиод для связи в видимом свете.

Недавно Университет Фудань и компания Jiangxi Lattice Power Semiconductor совместно работали над результатами исследований по применению кремниевого InGaN-микросветодиода красного света в многоцветных дисплеях и высокоскоростных средствах связи в видимом свете. Заголовок «Красные InGaN-микросветодиоды на кремниевых подложках: потенциал для многоцветного отображения и мультиплексирования с разделением по длине волны связи в видимом свете» был опубликован в ведущем международном журнале в области оптических коммуникаций «Lightwave Technology Magazine» (IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology). ). После публикации результатов известный международный журнал полупроводниковой промышленности «Semiconductor Today» опубликовал колонку под названием «Красные светодиоды InGaN для связи в видимом свете» (Red InGaN LEDs для связи в видимом свете), в которой говорилось, что «Университет Фудань и компания Jiangxi Lattice Power Semiconductor впервые сообщили о красных микросветодиодах на кремниевых подложках для связи в видимом свете. Команда также изучила длину волны/цвет микросветодиодов различных размеров в зависимости от тока от красного до зеленого для дисплеев и мультимедиа. -передача данных по длине волны».

Рисунок 1. Скриншот отчета «Полупроводники сегодня».

Micro-LED, как новая технология, демонстрирует большой потенциал в передовых системах отображения следующего поколения, коммуникациях видимого света и оптогенетике. По сравнению с зрелыми системами материалов GaN зеленого и синего цвета, разработка красных микро-светодиодов сталкивается с огромными проблемами. Обычно красные светодиоды изготавливаются из материала фосфида алюминия, индия и галлия (AlInGaP), но по мере того, как размер чипа уменьшается до микронного уровня, эффективность микросветодиодов на основе AlInGaP значительно снижается. Кроме того, AlInGaP несовместим с существующими системами материалов для зеленых и синих светодиодов на основе GaN. Теоретически материалы InGaN могут охватывать весь видимый спектр за счет регулирования содержания индия в нескольких квантовых ямах, обладают хорошей механической стабильностью и более высокой потенциальной эффективностью и постепенно становятся идеальным материалом для излучения красного света на микронном уровне.

В настоящее время красные микросветодиоды InGaN в основном выращиваются на узорчатых сапфировых подложках или вводят псевдоподложки GaN на сапфировых подложках. Применительно к технологии отображения методом трансферной печати для удаления исходной подложки требуется относительно дорогой процесс лазерного отрыва. В качестве подложки для выращивания с большим потенциалом коммерческого применения кремний позволяет получать высококачественные пластины большой площади при низких производственных затратах. Однако до сих пор имеется мало сообщений о красных микросветодиодах InGaN на кремниевой подложке, а также отсутствуют подробные исследования характеристик их устройств и областей применения.

С этой целью исследовательская группа выбрала кремниевую подложку InGaN красный микросветодиод в качестве объекта исследования и проанализировала изменения длины волны/цвета пикселей разных размеров по мере увеличения тока для достижения многоцветного отображения и передачи данных на нескольких длинах волн (рис. 2). ). Путем регулировки размера пикселя и подачи тока наблюдалось значительное явление синего сдвига, при котором длина волны смещалась от красного света к зеленому. При высокой плотности тока 100 А/см2 пиковая длина волны всех пикселей превышает 630 нм, что может соответствовать сценариям приложений, требующим высокой плотности тока, таких как дополненная реальность, виртуальная реальность и другие области. По мере увеличения плотности тока координаты CIE также смещаются из области красного света в область зеленого света, показывая более широкую цветовую гамму. Многоцветное излучение света с равномерной яркостью достигается за счет регулировки рабочего цикла, что демонстрирует потенциал его применения в однокристальных многоцветных микро-светодиодных дисплеях. Впоследствии характеристики дисплея пикселя 80 мкм были подробно обсуждены. При низкой плотности тока 2 А/см2 ЭКВ достигал 0,19 %, а при плотности тока 100 А/см2 ЭКВ составлял 0,14 %.

Рисунок 2 (а) Принципиальная схема структуры устройства Micro-LED с верхним излучением; (б) СЭМ-фотография подготовленного пикселя красного света размером 20 мкм; (в) Фотография красного пикселя диаметром 80 мкм, сделанная оптическим микроскопом при плотности тока 20 А/см2.

Исследователи дополнительно протестировали коммуникационные характеристики красных пикселей разных размеров и обнаружили, что полоса модуляции красных микросветодиодов InGaN (размером менее 100 мкм) на кремниевых подложках превышает 400 МГц, что делает их очень подходящими для передачи данных (рис. 3). . Для пикселя размером 40 мкм максимальная полоса модуляции, которая может быть достигнута при излучении красного, желтого и зеленого света, составляет 112,67 МГц, 126,38 МГц и 533,15 МГц соответственно. Среди них, полоса частот модуляции, достигаемая при излучении зеленого света, является рекордной полосой пропускания микро-светодиодов с настраиваемой цветностью, о которых сообщалось до сих пор, демонстрируя ее огромные преимущества в многоцветной передаче видимого света.

Рисунок 3 (a) Полоса модуляции -3 дБ в зависимости от плотности тока для всех размеров пикселей. (б) Кривые частотной характеристики пикселей размером 40 мкм при 80, 600 и 5000 А/см2, соответствующие длинам волн 640 нм (красный свет), 584 нм (желтый свет) и 533 нм (зеленый свет) соответственно.

Впоследствии была предложена однокристальная многоцветная схема мультиплексирования с разделением по длине волны (рис. 4). На передающей стороне связи в видимом свете используются микросветодиоды с различными длинами волн излучения, при этом максимально допустимая скорость передачи данных достигает 2,35 Гбит/с. Это первый отчет об использовании микросветодиода красного света InGaN на кремниевой подложке для связи в видимом свете. Благодаря высокой интеграции и миниатюризации пикселей это устройство имеет большой потенциал применения в таких областях, как носимые устройства связи и умные часы, и, как ожидается, в будущем уменьшит сложность общей системной интеграции.

Рисунок 4 Принципиальная схема экспериментального устройства системы WDM-OWC.

Ссылки по теме:

Бумажная ссылка:https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875

Ссылка на отчет по колонке:https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/apr/fudan-210423.shtml