มหาวิทยาลัย Fudan ร่วมมือกับ Lattice Power Semiconductor เพื่อรายงานผลการวิจัยของสารตั้งต้นซิลิกอน InGaN แสงสีแดง Micro-LED สำหรับการสื่อสารด้วยแสงที่มองเห็นได้เป็นครั้งแรก

เมื่อเร็วๆ นี้ มหาวิทยาลัย Fudan และ Jiangxi Lattice Power Semiconductor ร่วมมือกันในผลการวิจัยเกี่ยวกับการใช้ Micro-LED แสงสีแดง InGaN ที่ใช้ซิลิคอนในจอแสดงผลหลายสีและการสื่อสารด้วยแสงที่มองเห็นด้วยความเร็วสูง ชื่อเรื่อง "Red InGaN Micro-LEDs on Silicon Substrates: Potential for Multicolor Display and Wavelength Division Multiplexing Visible Light Communication" ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารนานาชาติชั้นนำในด้านการสื่อสารด้วยแสง "Lightwave Technology Magazine" (IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology) ). หลังจากผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ นิตยสารอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ระดับนานาชาติชื่อดัง "Semiconductor Today" ได้ตีพิมพ์คอลัมน์ชื่อ "Red InGaN LEDs สำหรับการสื่อสารด้วยแสงที่มองเห็นได้" (Red InGaN LEDs สำหรับการสื่อสารด้วยแสงที่มองเห็นได้) รายงานระบุว่า "มหาวิทยาลัย Fudan และ Jiangxi Lattice Power Semiconductor รายงานเป็นครั้งแรกที่ไดโอดเปล่งแสงไมโครเปล่งสีแดงบนพื้นผิวซิลิกอนสำหรับการสื่อสารด้วยแสงที่มองเห็นได้ ทีมงานยังได้ศึกษาความยาวคลื่น/สีของไมโครไฟ LED ในขนาดต่างๆ ที่เป็นฟังก์ชันของกระแสสีแดงถึงสีเขียวสำหรับการแสดงผลและมัลติ - การส่งข้อมูลความยาวคลื่น”

รูปที่ 1 ภาพหน้าจอของรายงาน "Semiconductor Today"

Micro-LED เป็นเทคโนโลยีเกิดใหม่ แสดงให้เห็นศักยภาพที่ยอดเยี่ยมในระบบการแสดงผลขั้นสูงรุ่นถัดไป การสื่อสารด้วยแสงที่มองเห็นได้ และออพโตเจเนติกส์ เมื่อเปรียบเทียบกับระบบวัสดุ GaN สีเขียวและสีน้ำเงินที่เติบโตเต็มที่ การพัฒนา Micro-LED สีแดงต้องเผชิญกับความท้าทายครั้งใหญ่ โดยทั่วไป LED สีแดงทำจากวัสดุอะลูมิเนียม อินเดียม แกลเลียม ฟอสไฟด์ (AlInGaP) แต่เมื่อขนาดชิปลดลงเหลือระดับไมครอน ประสิทธิภาพของ Micro-LED ที่ใช้ AlInGaP จะลดลงอย่างมาก นอกจากนี้ AlInGaP ยังเข้ากันไม่ได้กับระบบวัสดุ LED สีเขียวและสีน้ำเงินที่ใช้ GaN ที่มีอยู่ ตามทฤษฎี วัสดุ InGaN สามารถครอบคลุมสเปกตรัมที่มองเห็นได้ทั้งหมดโดยการปรับปริมาณอินเดียมในหลุมควอนตัมหลายช่อง และมีเสถียรภาพทางกลที่ดีและมีประสิทธิภาพศักย์ไฟฟ้าสูงขึ้น และค่อยๆ กลายเป็นวัสดุในอุดมคติสำหรับการปล่อยแสงสีแดงระดับไมครอน

ในปัจจุบัน Micro-LED สีแดง InGaN ส่วนใหญ่จะเติบโตบนพื้นผิวแซฟไฟร์ที่มีลวดลาย หรือแนะนำพื้นผิวหลอก GaN บนพื้นผิวแซฟไฟร์ หากนำไปใช้กับเทคโนโลยีการแสดงผลที่พิมพ์แบบถ่ายโอน จำเป็นต้องใช้กระบวนการลอกด้วยเลเซอร์ซึ่งมีราคาค่อนข้างแพงเพื่อขจัดวัสดุพิมพ์ดั้งเดิมออก เนื่องจากเป็นสารตั้งต้นในการเจริญเติบโตที่มีศักยภาพในการใช้งานเชิงพาณิชย์ ซิลิคอนจึงสามารถผลิตเวเฟอร์คุณภาพสูงในพื้นที่ขนาดใหญ่ด้วยต้นทุนการผลิตที่ต่ำ อย่างไรก็ตาม จนถึงขณะนี้ มีรายงานไม่กี่ฉบับเกี่ยวกับซับสเตรตซิลิคอน InGaN red Micro-LED ซึ่งยังขาดการวิจัยโดยละเอียดเกี่ยวกับประสิทธิภาพของอุปกรณ์และสาขาการใช้งาน

ด้วยเหตุนี้ ทีมวิจัยจึงเลือกซับสเตรตซิลิคอน InGaN red Micro-LED เป็นวัตถุวิจัย และวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่น/สีของพิกเซลขนาดต่างๆ ตามการเพิ่มขึ้นของกระแสไฟเพื่อให้ได้จอแสดงผลหลายสีและการรับส่งข้อมูลความยาวคลื่นหลายจุด (รูปที่ 2 ). โดยการปรับขนาดพิกเซลและการฉีดกระแส จะสังเกตเห็นปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงสีน้ำเงินที่สำคัญ โดยความยาวคลื่นเปลี่ยนจากแสงสีแดงเป็นแสงสีเขียว ที่ความหนาแน่นกระแสสูงที่ 100 A/cm2 ความยาวคลื่นสูงสุดของพิกเซลทั้งหมดจะเกิน 630 นาโนเมตร ซึ่งสามารถตอบสนองสถานการณ์การใช้งานที่ต้องการความหนาแน่นกระแสสูง เช่น Augmented Reality, Virtual Reality และสาขาอื่นๆ เมื่อความหนาแน่นกระแสเพิ่มขึ้น พิกัด CIE ก็เปลี่ยนจากพื้นที่แสงสีแดงเป็นพื้นที่แสงสีเขียวด้วย ซึ่งแสดงขอบเขตสีที่กว้างขึ้น การปล่อยแสงหลายสีที่มีความสว่างสม่ำเสมอสามารถทำได้โดยการปรับรอบการทำงาน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการใช้งานในจอแสดงผล micro-LED หลายสีแบบชิปตัวเดียว ต่อจากนั้น จะมีการพูดคุยถึงคุณลักษณะการแสดงผลของพิกเซล 80 μm โดยละเอียด ที่ความหนาแน่นกระแสต่ำที่ 2 A/cm2 EQE สูงถึง 0.19% และที่ความหนาแน่นกระแสที่ 100A/cm2 EQE อยู่ที่ 0.14%

รูปที่ 2 (a) แผนผังโครงสร้างของอุปกรณ์ Micro-LED ที่เปล่งแสงด้านบน (b) ภาพถ่าย SEM ของพิกเซลแสงสีแดง20μmที่เตรียมไว้ (c) ภาพถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์ด้วยแสงของพิกเซลสีแดงขนาด 80 μm ที่ความหนาแน่นกระแส 20 A/cm2

นักวิจัยได้ทดสอบประสิทธิภาพการสื่อสารของพิกเซลสีแดงที่มีขนาดต่างกันเพิ่มเติม และพบว่าแบนด์วิธการปรับของ Micro-LED สีแดง InGaN (ขนาดน้อยกว่า 100 μm) บนพื้นผิวซิลิกอนเกิน 400 MHz ทำให้เหมาะสำหรับการส่งข้อมูล (รูปที่ 3) . สำหรับพิกเซลขนาด 40μm แบนด์วิธการปรับสูงสุดที่สามารถทำได้เมื่อปล่อยแสงสีแดง แสงสีเหลือง และแสงสีเขียวคือ 112.67 MHz, 126.38 MHz และ 533.15 MHz ตามลำดับ แบนด์วิดธ์การมอดูเลตที่เกิดขึ้นได้เมื่อมีการปล่อยแสงสีเขียวคือแบนด์วิธที่บันทึกของ Micro-LED ที่ปรับสีได้ตามที่รายงานไว้ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบอย่างมากในการสื่อสารด้วยแสงที่มองเห็นได้หลายสี

รูปที่ 3 (a) แบนด์วิธการมอดูเลต -3dB เป็นฟังก์ชันของความหนาแน่นกระแสสำหรับพิกเซลทุกขนาด (b) เส้นโค้งการตอบสนองความถี่ของพิกเซล 40μm ที่ 80, 600 และ 5,000 A/cm2 ซึ่งสอดคล้องกับความยาวคลื่น 640 นาโนเมตร (แสงสีแดง), 584 นาโนเมตร (แสงสีเหลือง) และ 533 นาโนเมตร (แสงสีเขียว) ตามลำดับ

ต่อมาได้มีการเสนอโครงการมัลติเพล็กซ์การแบ่งความยาวคลื่นหลายสีแบบชิปตัวเดียว (รูปที่ 4) Micro-LED ที่มีความยาวคลื่นการปล่อยแสงต่างกันจะใช้ที่ส่วนปลายการส่งของการสื่อสารด้วยแสงที่มองเห็นได้ โดยมีอัตราการส่งข้อมูลสูงสุดที่อนุญาตอยู่ที่ 2.35 Gbps นี่เป็นรายงานฉบับแรกของ Micro-LED ซึ่งเป็นสารตั้งต้นซิลิกอน InGaN แสงสีแดงที่ใช้ในการสื่อสารด้วยแสงที่มองเห็นได้ เนื่องจากการผสานรวมและการย่อขนาดพิกเซลในระดับสูง อุปกรณ์นี้มีศักยภาพในการใช้งานที่ดีเยี่ยมในด้านต่างๆ เช่น อุปกรณ์สื่อสารที่สวมใส่ได้และนาฬิกาอัจฉริยะ และคาดว่าจะลดความซับซ้อนของการบูรณาการระบบโดยรวมในอนาคต

รูปที่ 4 แผนผังของอุปกรณ์ทดลองของระบบ WDM-OWC

ลิงก์ที่เกี่ยวข้อง:

ลิงค์กระดาษ:https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875

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