中科潞安劉乃鑫 | 紫外光通信用深紫外LED光源
發(fā)布時(shí)間：
2023-12-22
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摘要
近十年來，隨著紫外固態(tài)器件的外延生長、制備工藝以及封裝技術(shù)的快速發(fā)展，基于日盲區(qū)LED的紫外光通信光源憑借高帶寬、易于攜帶、無毒環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)逐步取代了傳統(tǒng)的汞燈、氣體放電燈等光源。Micro-LED是新興的工藝技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)更大更均勻的注入電流密度，有利于研究大注入狀態(tài)LED物理現(xiàn)象。特別是近幾年，UVC Micro-LED在紫外光通信、顯示等領(lǐng)域中展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，引起了人們的關(guān)注和研究熱情。
近日，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、中科潞安研發(fā)負(fù)責(zé)人劉乃鑫博士等在《發(fā)光學(xué)報(bào)》（EI、Scopus、核心期刊）發(fā)表了題為“紫外光通信用日盲型LED研究進(jìn)展”的綜述文章。
該綜述重點(diǎn)介紹了2019年以來報(bào)道的UVC Micro-LED研究成果，并對其基本電光性能、通信和片上集成應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。最后，對深紫外LED，特別是深紫外Micro-LED器件的未來發(fā)展趨勢做了展望。
引言
Micro-LED也叫μLED，是指臺面尺寸在1~100 μm的LED芯片，相比較傳統(tǒng)深紫外LED芯片，它的電流擴(kuò)展性好、散熱快、載流子壽命短和RC時(shí)間常數(shù)小，有利于提升通信帶寬。采用陣列排布后，相比相同發(fā)光面積的傳統(tǒng)深紫外LED光提取效率明顯提升。在可見光通訊（如藍(lán)光、綠光）中Micro-LED已被廣泛應(yīng)用，但是在日盲區(qū)紫外光通信中，Micro-LED的工藝仍處于發(fā)展階段。對深紫外Micro-LED器件及應(yīng)用的總結(jié)和深入分析對于進(jìn)一步提高其性能具有重要意義。
圖1：倒裝紫外LED結(jié)構(gòu)
紫外光通信用日盲型LED
紫外光通信用Micro-LED
Micro-LED可以優(yōu)化側(cè)壁的光提取，并且它的尺寸小，主要受載流子壽命調(diào)控的調(diào)制帶寬相對較高，因此十分利于光通信的應(yīng)用。
自2019年，Strathclyde大學(xué)報(bào)道利用262 nm紫外Micro-LED通信陣列實(shí)現(xiàn)了1 Gb/s的通信速率以來，對于紫外Micro-LED中的高注入電流密度、波長藍(lán)移和半峰寬變窄等物理現(xiàn)象已被大量研究。目前紫外Micro-LED主要研究方向是器件的制備工藝，基本物理現(xiàn)象，及其對通信、顯示方面應(yīng)用技術(shù)提升三個(gè)方面。
對通信應(yīng)用，Strcthclyde大學(xué)Daniel M. Maclure團(tuán)隊(duì)報(bào)道的285 nm波長Micro-LEDs通信陣列芯片分別在10 m和116 m距離上實(shí)現(xiàn)了6.5 Gb/s和>1 Gb/s的通信速率，這是目前使用紫外Micro-LED實(shí)現(xiàn)的最遠(yuǎn)距離和速率。
圖2 （a）用于紫外光通信的Micro-LED陣列的電極部分，（b）Micro-LED芯片部分
紫外光通信的片上集成
紫外光通信的片上集成通常是指將同樣MQWs結(jié)構(gòu)的紫外LED（或者M(jìn)icro-LED）和紫外探測器（PD）通過耦合波導(dǎo)連接，利用發(fā)光-檢測現(xiàn)象進(jìn)行片上的紫外光通信，實(shí)現(xiàn)光互聯(lián)的技術(shù)。這種技術(shù)充分利用了高Al組分MQWs發(fā)射的橫向傳播TM模光子。
2022年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所魏同波團(tuán)隊(duì)報(bào)道的274 nm LED和自驅(qū)動PD、波導(dǎo)的片上集成，在片上通信實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)600 μm距離1MHz的通信帶寬。自驅(qū)動PD表現(xiàn)出127/131 ns的上升/下降響應(yīng)時(shí)間是目前報(bào)道的自驅(qū)動PD最高性能。
圖3（a）由S1-LED加載的發(fā)射信號，由S1-PD捕獲的接收信號，（b）從S1-PD上得到的接收信號擬合得出的上升/下降時(shí)間，（c）在1MHz下測量的通信眼圖
總結(jié)與展望
目前，市場量產(chǎn)UVC LED的研究方向集中在電光轉(zhuǎn)化效率（WPED）和光提取效率優(yōu)化方面，可量產(chǎn)的芯片的光提取效率從6%~12%向25%提升，WPE由3%向6%提升。量產(chǎn)產(chǎn)品性能提升面臨的挑戰(zhàn)來自于外延、芯片及封裝領(lǐng)域，包括提升材料質(zhì)量、優(yōu)化封裝材料、改善歐姆接觸和降低生產(chǎn)成本等。
目前，部分實(shí)驗(yàn)室制備器件的WPE可達(dá)6%~10%，預(yù)計(jì)2026年可突破15%。將紫外LED和自驅(qū)動PD集成有望實(shí)現(xiàn)多功能系統(tǒng)，如實(shí)時(shí)檢測光強(qiáng)的通信、照明芯片等，但目前相應(yīng)研究處于發(fā)展階段。
大力發(fā)展Micro-LED是改善芯片光提取效率差、亮度低的有效方案。目前，對它的研究集中在器件物理領(lǐng)域，驗(yàn)證了其在提升LED性能方面的潛力，但性能仍與可見光Micro-LED有很大差距。后續(xù)應(yīng)改善其制備工藝，兼顧成本和可靠性，以期實(shí)現(xiàn)它在商用領(lǐng)域的高水平應(yīng)用。
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