L'université Fudan, en collaboration avec Lattice Power Semiconductor, présente pour la première fois les résultats de recherches sur une micro-LED rouge InGaN à substrat de silicium pour la communication par lumière visible.

Récemment, l'Université Fudan et Jiangxi Lattice Power Semiconductor ont collaboré sur les résultats de recherches concernant l'application de micro-LED rouges InGaN sur silicium aux écrans multicolores et aux communications par lumière visible à haut débit. L'article intitulé « Micro-LED rouges InGaN sur substrats de silicium : potentiel pour l'affichage multicolore et la communication par lumière visible à multiplexage en longueur d'onde » a été publié dans la revue internationale de référence dans le domaine des communications optiques, « Lightwave Technology Magazine » (IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology). Suite à la publication des résultats, le célèbre magazine international de l'industrie des semi-conducteurs « Semiconductor Today » a publié un article intitulé « LEDs InGaN rouges pour la communication par lumière visible », indiquant que « l'université Fudan et Jiangxi Lattice Power Semiconductor ont présenté pour la première fois des micro-diodes électroluminescentes (LEDs) rouges sur substrats de silicium pour les communications par lumière visible. L'équipe a également étudié la longueur d'onde/la couleur de micro-LEDs de différentes tailles en fonction du courant, du rouge au vert, pour l'affichage et la transmission de données multi-longueurs d'onde. »

Figure 1 Capture d'écran du rapport « Semiconductor Today ».

La micro-LED, technologie émergente, présente un fort potentiel pour les systèmes d'affichage avancés de nouvelle génération, les communications par lumière visible et l'optogénétique. Comparé aux systèmes à base de GaN verts et bleus, déjà bien établis, le développement des micro-LED rouges se heurte à d'importants défis. Généralement, les LED rouges sont fabriquées à partir de phosphure d'aluminium-indium-gallium (AlInGaP), mais la réduction de la taille des puces à l'échelle micrométrique entraîne une diminution significative de l'efficacité des micro-LED à base d'AlInGaP. De plus, l'AlInGaP est incompatible avec les systèmes de LED vertes et bleues existants à base de GaN. Théoriquement, les matériaux InGaN peuvent couvrir l'ensemble du spectre visible en ajustant la teneur en indium dans de multiples puits quantiques. Ils présentent une bonne stabilité mécanique et un potentiel d'efficacité plus élevé, et s'imposent progressivement comme un matériau idéal pour l'émission de lumière rouge à l'échelle micrométrique.

Actuellement, les micro-LED rouges InGaN sont principalement cultivées sur des substrats de saphir structurés ou sur des pseudo-substrats GaN déposés sur des substrats de saphir. Pour une application à la technologie d'affichage par transfert, un procédé de décollement laser relativement coûteux est nécessaire afin d'éliminer le substrat natif. Le silicium, substrat de croissance à fort potentiel commercial, permet d'obtenir des plaquettes de grande surface et de haute qualité à faible coût de fabrication. Cependant, à ce jour, peu d'études portent sur les micro-LED rouges InGaN sur substrat de silicium, et les recherches sur leurs performances et leurs domaines d'application restent insuffisantes.

À cette fin, l'équipe de recherche a sélectionné une micro-LED rouge InGaN sur substrat de silicium comme objet d'étude et a analysé les variations de longueur d'onde et de couleur des pixels de différentes tailles en fonction de l'intensité du courant, afin d'obtenir un affichage multicolore et une transmission de données multi-longueurs d'onde (Figure 2). En ajustant la taille des pixels et en injectant du courant, un important décalage vers le bleu a été observé, la longueur d'onde passant du rouge au vert. À une densité de courant élevée de 100 A/cm², la longueur d'onde maximale de tous les pixels dépasse 630 nm, ce qui permet de répondre aux exigences d'applications nécessitant une forte densité de courant, telles que la réalité augmentée, la réalité virtuelle et d'autres domaines. L'augmentation de la densité de courant entraîne également un déplacement des coordonnées CIE du rouge vers le vert, révélant un gamut de couleurs plus étendu. L'émission de lumière multicolore à luminosité uniforme est obtenue par ajustement du rapport cyclique, démontrant ainsi le potentiel d'application de cette technologie dans les écrans micro-LED multicolores monopuces. Les caractéristiques d'affichage du pixel de 80 μm ont ensuite été analysées en détail. À une faible densité de courant de 2 A/cm2, l'EQE a atteint 0,19 %, et à une densité de courant de 100 A/cm2, l'EQE était de 0,14 %.

Figure 2 (a) Schéma de la structure d'un dispositif Micro-LED à émission par le haut ; (b) Photo MEB du pixel de lumière rouge de 20 μm préparé ; (c) Photo au microscope optique d'un pixel rouge de 80 μm à une densité de courant de 20 A/cm2.

Les chercheurs ont ensuite testé les performances de communication de pixels rouges de différentes tailles et ont constaté que la bande passante de modulation des micro-LED rouges InGaN (de taille inférieure à 100 μm) sur substrats de silicium dépassait 400 MHz, les rendant parfaitement adaptées à la transmission de données (Figure 3). Pour un pixel de 40 μm, la bande passante de modulation maximale atteignable lors de l'émission de lumière rouge, jaune et verte est respectivement de 112,67 MHz, 126,38 MHz et 533,15 MHz. La bande passante de modulation obtenue lors de l'émission de lumière verte constitue le record pour des micro-LED à couleur variable, démontrant ainsi leurs avantages considérables dans les communications par lumière visible multicolore.

Figure 3 (a) Bande passante de modulation à -3 dB en fonction de la densité de courant pour toutes les tailles de pixels. (b) Courbes de réponse en fréquence des pixels de 40 μm à 80, 600 et 5000 A/cm2, correspondant respectivement aux longueurs d'onde de 640 nm (lumière rouge), 584 nm (lumière jaune) et 533 nm (lumière verte).

Par la suite, un système de multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) multicolore sur une seule puce a été proposé (Figure 4). Des micro-LED émettant à différentes longueurs d'onde sont utilisées à l'émission pour la communication par lumière visible, avec un débit de données maximal autorisé de 2,35 Gbit/s. Il s'agit du premier exemple d'utilisation d'une micro-LED rouge InGaN sur substrat de silicium pour la communication par lumière visible. Grâce à la forte intégration et à la miniaturisation des pixels, ce dispositif présente un fort potentiel d'application dans des domaines tels que les dispositifs de communication portables et les montres connectées, et devrait permettre de réduire la complexité de l'intégration globale des systèmes à l'avenir.

Figure 4 Schéma du dispositif expérimental du système WDM-OWC.

Liens connexes :

Lien vers le document : https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875

Lien vers le rapport de colonne : https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/apr/fudan-210423.shtml