Fudan University samarbetar med Lattice Power Semiconductor för att för första gången rapportera forskningsresultaten av kiselsubstratet InGaN rött ljus Micro-LED för kommunikation med synligt ljus.

Nyligen samarbetade Fudan University och Jiangxi Lattice Power Semiconductor kring forskningsresultaten om tillämpningen av kiselbaserade InGaN-rött ljus-Micro-LED i flerfärgsdisplayer och höghastighetskommunikation med synligt ljus. Titeln "Red InGaN Micro-LEDs on Silicon Substrates: Potential for Multicolor Display and Wavelength Division Multiplexing Visible Light Communication" publicerades i den ledande internationella tidskriften inom optisk kommunikation "Lightwave Technology Magazine" (IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology). Efter att resultaten publicerats publicerade den berömda internationella halvledarindustritidskriften "Semiconductor Today" en kolumn med titeln "Red InGaN LEDs for visible light communication" (Red InGaN LEDs for visible light communication) i rapporten, där det stod att "Fudan University och Jiangxi Lattice Power Semiconductor för första gången rapporterade om rödemitterande mikrolysdioder på kiselsubstrat för kommunikation med synligt ljus. Teamet studerade också våglängden/färgen hos mikro-LED i olika storlekar som en funktion av strömmen från rött till grönt för display och dataöverföring med flera våglängder."

Figur 1 Skärmdump av rapporten "Semiconductor Today".

Mikro-LED, som en framväxande teknik, visar stor potential inom nästa generations avancerade displaysystem, kommunikation med synligt ljus och optogenetik. Jämfört med mogna gröna och blå GaN-materialsystem står utvecklingen av röda mikro-LED:er inför stora utmaningar. Vanligtvis är de röda lysdioderna tillverkade av aluminiumindium-galliumfosfid (AlInGaP)-material, men när chipstorleken krymper till mikronnivå kommer effektiviteten hos AlInGaP-baserade mikro-LED:er att minska avsevärt. Dessutom är AlInGaP inkompatibelt med befintliga GaN-baserade gröna och blå LED-materialsystem. Teoretiskt sett kan InGaN-material täcka hela det synliga spektrumet genom att justera indiumhalten i flera kvantbrunnar, och de har god mekanisk stabilitet och högre potentiell effektivitet, och blir gradvis ett idealiskt material för emission av rött ljus på mikronnivå.

För närvarande odlas InGaN-röda mikro-LED:er mestadels på mönstrade safirsubstrat eller introducerar GaN-pseudosubstrat på safirsubstrat. Om de tillämpas på transfertryckt displayteknik krävs en relativt dyr laserlift-off-process för att avlägsna det ursprungliga substratet. Som ett tillväxtsubstrat med stor kommersiell tillämpningspotential kan kisel erhålla wafers med stor yta och hög kvalitet till låga tillverkningskostnader. Hittills finns det dock få rapporter om kiselsubstratet InGaN-röda mikro-LED:er, och det saknas detaljerad forskning om dess prestanda och tillämpningsområden.

För detta ändamål valde forskargruppen kiselsubstratet InGaN röd Micro-LED som forskningsobjekt och analyserade våglängds-/färgförändringarna hos pixlar av olika storlekar allt eftersom strömmen ökar för att uppnå flerfärgsdisplay och dataöverföring med flera våglängder (Figur 2). Genom att justera pixelstorleken och injicera ström observerades ett signifikant blåskiftfenomen, där våglängden skiftade från rött ljus till grönt ljus. Vid en hög strömtäthet på 100 A/cm2 överstiger toppvåglängden för alla pixlar 630 nm, vilket kan uppfylla applikationsscenarier som kräver hög strömtäthet, såsom förstärkt verklighet, virtuell verklighet och andra områden. När strömtätheten ökar skiftar även CIE-koordinaterna från det röda ljusområdet till det gröna ljusområdet, vilket visar ett bredare färgomfång. Flerfärgad ljusemission med enhetlig ljusstyrka uppnås genom att justera arbetscykeln, vilket demonstrerar dess tillämpningspotential i flerfärgade mikro-LED-skärmar med ett chip. Därefter diskuterades displayegenskaperna för 80 μm-pixeln i detalj. Vid en låg strömtäthet på 2 A/cm2 nådde EQE 0,19 %, och vid en strömtäthet på 100 A/cm2 var EQE 0,14 %.

Figur 2 (a) Schematiskt diagram över strukturen hos en toppemitterande Micro-LED-enhet; (b) SEM-foto av den förberedda 20 μm röda ljuspixeln; (c) Optiskt mikroskopfoto av en 80 μm röd pixel vid en strömtäthet på 20 A/cm2.

Forskarna testade vidare kommunikationsprestandan hos röda pixlar av olika storlekar och fann att modulationsbandbredden för InGaN röda mikro-LED-lampor (storlek mindre än 100 μm) på kiselsubstrat översteg 400 MHz, vilket gör dem mycket lämpliga för dataöverföring (Figur 3). För en 40 μm pixel är den maximala modulationsbandbredden som kan uppnås vid avgivning av rött ljus, gult ljus och grönt ljus 112,67 MHz, 126,38 MHz respektive 533,15 MHz. Bland dessa är modulationsbandbredden som uppnås när grönt ljus avges rekordbandbredden för färgavstämbara mikro-LED-lampor som hittills rapporterats, vilket visar dess enorma fördelar inom kommunikation med synligt ljus i flera färger.

Figur 3 (a) -3dB moduleringsbandbredd som funktion av strömtäthet för alla pixelstorlekar. (b) Frekvensresponskurvor för 40μm pixlar vid 80, 600 och 5000 A/cm2, motsvarande våglängderna 640 nm (rött ljus), 584 nm (gult ljus) respektive 533 nm (grönt ljus).

Därefter föreslogs ett schema för multiplexering med flera färger på ett enda chip (Figur 4). Mikro-LED-lampor med olika emissionsvåglängder används vid sändänden av kommunikation med synligt ljus, med en maximal tillåten överföringshastighet på 2,35 Gbps. Detta är den första rapporten om hur kiselsubstratet InGaN-mikro-LED med rött ljus används i kommunikation med synligt ljus. På grund av den höga integrationen och miniatyriseringen av pixlar har denna enhet stor tillämpningspotential inom områden som bärbara kommunikationsenheter och smarta klockor, och förväntas minska komplexiteten i den övergripande systemintegrationen i framtiden.

Figur 4 Schematiskt diagram över den experimentella anordningen i WDM-OWC-systemet.

Relaterade länkar:

Länk till papper: https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875

Länk till kolumnrapport: https://www.semiconductor-today.com/news_items/2023/apr/fudan-210423.shtml