近日，复旦大学和晶能光电合作课题组关于硅基InGaN红光Micro-LED在多色显示器和高速可见光通信方面的应用研究成果，以《硅衬底InGaN红光Micro-LED：用于多色显示和波分复用可见光通信中的潜力》(“Red InGaN Micro-LEDs on Silicon Substrates: Potential for Multicolor Display and Wavelength Division Multiplexing Visible Light Communication”)为题，发表在国际光通信领域顶级期刊《光波技术杂志》(IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology)上。
Micro-LED作为一种新兴技术，在下一代先进显示系统、可见光通信和光遗传学中展现了巨大的潜力。与成熟的绿光和蓝光GaN材料系统相比，红光Micro-LED的发展面临着巨大的挑战。常用的红光LED由磷化铝铟镓(AlInGaP)材料制成，但随着芯片尺寸缩小至微米量级时，AlInGaP基Micro-LED的效率会显著降低。此外，AlInGaP存在着与现有的GaN基绿光和蓝光LED材料系统不兼容的问题。理论上，InGaN材料可以通过调整多量子阱中的铟含量来覆盖整个可见光谱，并且具有良好的机械稳定性、更高的潜在效率，逐渐成为微米级红光发射的理想材料。
目前，InGaN红光Micro-LED大多生长于图案化蓝宝石衬底或是在蓝宝石衬底上引入GaN伪衬底。如果应用于转移打印显示技术，则需要相对昂贵的激光剥离工艺才能去除原生衬底。硅作为一种极具商业化应用潜力的生长衬底，能以较低的制造成本获得大面积、高质量晶圆。然而，迄今为止，关于硅衬底InGaN红光Micro-LED的报道较少，缺乏对其器件性能与应用领域的详细研究。
为此，课题组选取硅衬底InGaN红光Micro-LED作为研究对象，分析了不同尺寸的像素随电流增大的波长/颜色变化，以实现多色显示和多波长数据传输(图1)。通过调控像素大小和注入电流，观察到显著的蓝移现象，波长从红光偏移到绿光。在100 A/cm2的高电流密度下，所有像素的峰值波长都超过630 nm，能够满足需要高电流密度的应用场景，如增强现实、虚拟现实等领域。随着电流密度的增加，CIE坐标也从红光区域转移到绿光区域，呈现出较宽的色域。通过调节占空比实现了亮度均匀的多色发光，证明了其在单芯片、多色micro-LED显示器中的应用潜力。随后，详细讨论了80 μm像素的显示特性，其在2 A/cm2的低电流密度下，EQE达到0.19%，在100A/cm2电流密度下，EQE为0.14%。
图1 顶发射的Micro-LED器件结构示意图。(b)所制备的20 μm红光像素的SEM照片。(c)80 μm红光像素在20 A/cm2的电流密度下的光学显微镜照片。
研究人员进一步测试了不同尺寸红光像素的通信性能，发现硅衬底上InGaN红光Micro-LED(尺寸小于100μm)的调制带宽均超过400 MHz，这使得它们非常适合用于数据传输(图2)。对于40 μm像素，其在发射红光、黄光和绿光时，所能实现的最大调制带宽分别为112.67 MHz、126.38 MHz和533.15 MHz。其中，绿光发射时所达到的调制带宽，是目前所报道的颜色可调Micro-LED的纪录带宽，展现了其在多色可见光通信中的巨大优势。
图2(a)所有尺寸像素的-3dB调制带宽随电流密度的变化。(b)40μm像素在80、600和5000 A/cm2下的频率响应曲线，分别对应640 nm(红光)、584 nm(黄光)和533 nm(绿光)的波长。
随后，提出了一种单芯片、多色波分复用方案(图3)。不同发光波长的Micro-LED被用于可见光通信的发射端，最大允许传输数据速率达到2.35 Gbps，这是硅衬底InGaN红光Micro-LED用于可见光通信的首次报道。由于像素的高度集成化与小型化，该器件在可穿戴通信设备与智能手表等领域具有很大的应用潜力，有望降低未来整体系统集成的复杂性。
图3 WDM-OWC系统的实验装置示意图。
论文链接：
https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3261875
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