近日，復旦大學信息科學與工程學院田朋飛課題組關于硅基InGaN紅光micro-LED在多色顯示器和高速可見光通信方面的應用研究成果，以《硅襯底InGaN紅光micro-LED：用于多色顯示和波分復用可見光通信中的潛力》（“Red InGaN Micro-LEDs on Silicon Substrates: Potential for Multicolor Display and Wavelength Division Multiplexing Visible Light Communication”）為題，發表在國際光通信領域頂級期刊《光波技術雜志》（IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology）上。成果發表后，國際半導體行業著名雜志《Semiconductor Today》以“用于可見光通信的紅色 InGaN LED”（Red InGaN LEDs for visible light communication）為題做了專欄報道，指出“復旦大學和中國江西晶能半導體股份有限公司首次報告了用于可見光通信的硅基板上的紅色發射微型發光二極管，該團隊還研究了各種尺寸的微型 LED 的波長/顏色隨著電流的增加從紅色變為綠色，以用于顯示和多波長數據傳輸”。
圖1：《Semiconductor Today》報道的截圖
Micro-LED作為一種新興技術，在下一代先進顯示系統、可見光通信和光遺傳學中展現了巨大的潛力。與成熟的綠光和藍光GaN材料系統相比，紅光micro-LED的發展面臨著巨大的挑戰。常用的紅光LED由磷化鋁銦鎵（AlInGaP）材料制成，但隨著芯片尺寸縮小至微米量級時，AlInGaP基micro-LED的效率會顯著降低。此外，AlInGaP存在著與現有的GaN基綠光和藍光LED材料系統不兼容的問題。理論上，InGaN材料可以通過調整多量子阱中的銦含量來覆蓋整個可見光譜，并且具有良好的穩定性、更高的潛在效率，逐漸成為微米級紅光發射的理想材料。
目前，InGaN紅光micro-LED大多生長于圖案化藍寶石襯底或是在藍寶石襯底上引入GaN偽襯底。如果應用于轉移打印顯示技術，則需要相對昂貴的激光剝離工藝才能去除原生襯底。硅作為一種極具商業化應用潛力的生長襯底，能以較低的制造成本獲得大面積、高質量晶圓。然而，迄今為止，關于硅襯底InGaN紅光micro-LED的報道較少，缺乏對其器件性能與應用領域的詳細研究。
為此，團隊選取硅襯底InGaN紅光micro-LED作為研究對象，分析了不同尺寸的像素隨電流增大的波長/顏色變化，以實現多色顯示和多波長數據傳輸（圖2）。通過調控像素大小和注入電流，觀察到顯著的藍移現象，波長從紅光偏移到綠光。在100 A/cm²的高電流密度下，所有像素的峰值波長都超過630 nm，能夠滿足需要高電流密度的應用場景，如增強現實、虛擬現實等領域。隨著電流密度的增加，CIE坐標也從紅光區域轉移到綠光區域，呈現出較寬的色域。通過調節占空比實現了亮度均勻的多色發光，證明了其在單芯片、多色micro-LED顯示器中的應用潛力。隨后，詳細討論了80 μm像素的顯示特性，其在2 A/cm²的低電流密度下，EQE達到0.19%，在100 A/cm²電流密度下，EQE為0.14%。
圖2：（a）頂發射的micro-LED器件結構示意圖。（b）所制備的20 μm紅光像素的SEM照片。（c）80 μm紅光像素在20 A/cm²的電流密度下的光學顯微鏡照片。
研究人員進一步測試了不同尺寸紅光像素的通信性能，發現硅襯底上InGaN紅光micro-LED（尺寸小于100 μm）的調制帶寬均超過400 MHz，這使得它們非常適合用于數據傳輸（圖3）。對于40 μm像素，其在發射紅光、黃光和綠光時，所能實現的最大調制帶寬分別為112.67 MHz、126.38 MHz和533.15 MHz。其中，綠光發射時所達到的調制帶寬，是目前所報道的顏色可調micro-LED的紀錄帶寬，展現了其在多色可見光通信中的巨大優勢。
圖3：（a）所有尺寸像素的-3 dB調制帶寬隨電流密度的變化。（b）40 μm像素在80、600和5000 A/cm²下的頻率響應曲線，分別對應640 nm（紅光）、584 nm（黃光）和533 nm（綠光）的波長。
隨后，提出了一種單芯片、多色波分復用方案（圖4）。不同發光波長的micro-LED被用于可見光通信的發射端，最大允許傳輸數據速率達到2.35 Gbps，這是硅襯底InGaN紅光micro-LED用于可見光通信的首次報道。由于像素的高度集成化與小型化，該器件在可穿戴通信設備與智能手表等領域具有很大的應用潛力，有望降低未來整體系統集成的復雜性。
田朋飛課題組立足第三代半導體micro-LED器件核心技術，研究micro-LED器件工藝、轉移打印及封裝技術，在micro-LED顯示、光通信、引力波探測、腦機接口等芯片和系統方面具有長期研究基礎。
論文由復旦大學與晶能光電股份有限公司共同完成，復旦大學陸馨怡為第一作者，田朋飛為論文通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科學技術委員會、江蘇省重點研發計劃等項目的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875
專欄報道鏈接：
https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/apr/fudan-210423.shtml
（來源：復旦大學信息科學與工程學院 供稿 | 田朋飛課題組）
