Đại học Fudan hợp tác với Lattice Power Semiconductor lần đầu tiên báo cáo kết quả nghiên cứu về chất nền silicon Micro-LED ánh sáng đỏ InGaN dùng cho truyền thông ánh sáng khả kiến

Gần đây, Đại học Phúc Đán và Công ty bán dẫn điện lưới Giang Tây đã hợp tác đưa ra kết quả nghiên cứu về ứng dụng Micro-LED ánh sáng đỏ InGaN dựa trên silicon trong màn hình nhiều màu và truyền thông ánh sáng nhìn thấy tốc độ cao. Tiêu đề "Micro-LED InGaN màu đỏ trên đế silicon: Tiềm năng hiển thị nhiều màu và truyền thông ánh sáng nhìn thấy được theo bước sóng" đã được đăng trên tạp chí quốc tế hàng đầu trong lĩnh vực truyền thông quang học "Tạp chí công nghệ sóng ánh sáng" (Tạp chí công nghệ sóng ánh sáng IEEE/OSA ). Sau khi kết quả được công bố, tạp chí công nghiệp bán dẫn quốc tế nổi tiếng "Semiconductor Today" đã xuất bản một chuyên mục có tiêu đề "Đèn LED InGaN đỏ cho giao tiếp bằng ánh sáng nhìn thấy được" (Red InGaN LEDs cho giao tiếp bằng ánh sáng nhìn thấy được), trong đó nêu rõ rằng "Đại học Fudan và Công ty bán dẫn điện lưới Giang Tây lần đầu tiên nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu bước sóng/màu sắc của các đèn LED siêu nhỏ có kích thước khác nhau như một hàm của dòng điện từ đỏ sang xanh lục để hiển thị và đa sắc thái. -truyền dữ liệu bước sóng."

Hình 1 Ảnh chụp màn hình của báo cáo "Chất bán dẫn ngày nay".

Micro-LED, là một công nghệ mới nổi, cho thấy tiềm năng to lớn trong các hệ thống hiển thị tiên tiến thế hệ tiếp theo, truyền thông bằng ánh sáng khả kiến ​​và quang di truyền học. So với các hệ thống vật liệu GaN xanh lục và xanh lam trưởng thành, việc phát triển Micro-LED màu đỏ phải đối mặt với những thách thức rất lớn. Thông thường, đèn LED màu đỏ được làm bằng vật liệu nhôm indium gallium phosphide (AlInGaP), nhưng khi kích thước chip giảm xuống mức micron, hiệu suất của Micro-LED dựa trên AlInGaP sẽ giảm đáng kể. Ngoài ra, AlInGaP không tương thích với các hệ thống vật liệu LED xanh lục và xanh lam dựa trên GaN hiện có. Về mặt lý thuyết, vật liệu InGaN có thể bao phủ toàn bộ phổ khả kiến ​​bằng cách điều chỉnh hàm lượng indium trong nhiều giếng lượng tử, đồng thời có độ ổn định cơ học tốt và hiệu suất tiềm năng cao hơn, dần dần trở thành vật liệu lý tưởng để phát xạ ánh sáng đỏ ở cấp độ micron.

Hiện tại, Micro-LED màu đỏ InGaN chủ yếu được trồng trên đế sapphire có hoa văn hoặc đưa chất nền giả GaN lên đế sapphire. Nếu áp dụng cho công nghệ màn hình in chuyển, cần phải có quy trình nâng hạ bằng laser tương đối tốn kém để loại bỏ lớp nền gốc. Là chất nền tăng trưởng có tiềm năng ứng dụng thương mại lớn, silicon có thể thu được các tấm bán dẫn có diện tích lớn, chất lượng cao với chi phí sản xuất thấp. Tuy nhiên, cho đến nay, có rất ít báo cáo về Micro-LED đỏ InGaN nền silicon, thiếu nghiên cứu chi tiết về hiệu suất thiết bị và các lĩnh vực ứng dụng của nó.

Để đạt được mục tiêu này, nhóm nghiên cứu đã chọn Micro-LED chất nền silicon InGaN màu đỏ làm đối tượng nghiên cứu và phân tích sự thay đổi bước sóng/màu sắc của các pixel có kích thước khác nhau khi dòng điện tăng để đạt được hiển thị nhiều màu và truyền dữ liệu đa bước sóng (Hình 2 ). Bằng cách điều chỉnh kích thước pixel và dòng điện đưa vào, người ta đã quan sát thấy hiện tượng dịch chuyển màu xanh lam đáng kể, với bước sóng chuyển từ ánh sáng đỏ sang ánh sáng xanh lục. Ở mật độ dòng điện cao 100 A/cm2, bước sóng cực đại của tất cả các pixel vượt quá 630 nm, có thể đáp ứng các tình huống ứng dụng yêu cầu mật độ dòng điện cao, chẳng hạn như thực tế tăng cường, thực tế ảo và các lĩnh vực khác. Khi mật độ dòng điện tăng lên, tọa độ CIE cũng chuyển từ vùng đèn đỏ sang vùng đèn xanh, hiển thị gam màu rộng hơn. Đạt được sự phát xạ ánh sáng nhiều màu với độ sáng đồng đều bằng cách điều chỉnh chu kỳ hoạt động, thể hiện tiềm năng ứng dụng của nó trong màn hình micro-LED nhiều màu, một chip. Sau đó, các đặc điểm hiển thị của pixel 80 μm đã được thảo luận chi tiết. Ở mật độ dòng điện thấp 2 A/cm2, EQE đạt 0,19% và ở mật độ dòng điện 100A/cm2, EQE đạt 0,14%.

Hình 2 (a) Sơ đồ cấu trúc của thiết bị Micro-LED phát ra đỉnh; (b) Ảnh SEM của pixel ánh sáng đỏ 20μm đã chuẩn bị; (c) Ảnh kính hiển vi quang học của một điểm ảnh màu đỏ 80 μm ở mật độ dòng điện 20 A/cm2.

Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra thêm hiệu suất giao tiếp của các pixel màu đỏ có kích thước khác nhau và nhận thấy rằng băng thông điều chế của Micro-LED màu đỏ InGaN (kích thước nhỏ hơn 100 μm) trên đế silicon vượt quá 400 MHz, khiến chúng rất phù hợp để truyền dữ liệu (Hình 3) . Đối với pixel 40μm, băng thông điều chế tối đa có thể đạt được khi phát ra ánh sáng đỏ, ánh sáng vàng và ánh sáng xanh lục lần lượt là 112,67 MHz, 126,38 MHz và 533,15 MHz. Trong số đó, băng thông điều chế đạt được khi phát ra ánh sáng xanh là băng thông kỷ lục của Micro-LED có thể điều chỉnh màu được báo cáo cho đến nay, thể hiện lợi thế to lớn của nó trong truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy nhiều màu.

Hình 3 (a) Băng thông điều chế -3dB là hàm của mật độ dòng điện đối với tất cả các kích thước pixel. (b) Đường cong đáp ứng tần số 40μm pixel ở 80, 600 và 5000 A/cm2, tương ứng với các bước sóng lần lượt là 640 nm (đèn đỏ), 584 nm (đèn vàng) và 533 nm (đèn xanh).

Sau đó, sơ đồ ghép kênh phân chia bước sóng nhiều màu, một chip đã được đề xuất (Hình 4). Micro-LED với các bước sóng phát xạ khác nhau được sử dụng ở đầu truyền của giao tiếp ánh sáng khả kiến, với tốc độ dữ liệu truyền tối đa được phép đạt 2,35 Gbps. Đây là báo cáo đầu tiên về Micro-LED ánh sáng đỏ InGaN nền silicon được sử dụng trong truyền thông ánh sáng khả kiến. Do khả năng tích hợp và thu nhỏ pixel cao, thiết bị này có tiềm năng ứng dụng lớn trong các lĩnh vực như thiết bị liên lạc đeo được và đồng hồ thông minh, đồng thời được kỳ vọng sẽ giảm độ phức tạp của việc tích hợp hệ thống tổng thể trong tương lai.

Hình 4 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm của hệ thống WDM-OWC.

Liên kết liên quan:

Liên kết giấy:https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875

Liên kết báo cáo cột:https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/apr/fudan-210423.shtml