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，并且具有良好的機械穩定性、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，課題組選取硅襯底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100A/cm2電流密度下，EQE為0.14%。

圖2 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100μm)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-3dB調制帶寬隨電流密度的變化。

(b)40μm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。

圖4 WDM-OWC系統的實驗裝置示意圖。

相關鏈接：

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