中科潞安刘乃鑫 | 紫外光通信用深紫外LED光源

发布时间:

2023-12-22

作者:

来源:


摘要

近十年来,随着紫外固态器件的外延生长、制备工艺以及封装技术的快速发展,基于日盲区LED的紫外光通信光源凭借高带宽、易于携带、无毒环保的优点逐步取代了传统的汞灯、气体放电灯等光源。Micro-LED是新兴的工艺技术,它可以实现更大更均匀的注入电流密度,有利于研究大注入状态LED物理现象。特别是近几年,UVC Micro-LED在紫外光通信、显示等领域中展现出了广阔的应用前景,引起了人们的关注和研究热情。
导读

近十年来,随着紫外固态器件的外延生长、制备工艺以及封装技术的快速发展,基于日盲区LED的紫外光通信光源凭借高带宽、易于携带、无毒环保的优点逐步取代了传统的汞灯、气体放电灯等光源。Micro-LED是新兴的工艺技术,它可以实现更大更均匀的注入电流密度,有利于研究大注入状态LED物理现象。特别是近几年,UVC Micro-LED在紫外光通信、显示等领域中展现出了广阔的应用前景,引起了人们的关注和研究热情。

近日,中国科学院半导体研究所、中科潞安研发负责人刘乃鑫博士等在《发光学报》(EI、Scopus、核心期刊)发表了题为“紫外光通信用日盲型LED研究进展”的综述文章。

该综述重点介绍了2019年以来报道的UVC Micro-LED研究成果,并对其基本电光性能、通信和片上集成应用进行了总结。最后,对深紫外LED,特别是深紫外Micro-LED器件的未来发展趋势做了展望。

引言

Micro-LED也叫μLED,是指台面尺寸在1~100 μm的LED芯片,相比较传统深紫外LED芯片,它的电流扩展性好、散热快、载流子寿命短和RC时间常数小,有利于提升通信带宽。采用阵列排布后,相比相同发光面积的传统深紫外LED光提取效率明显提升。在可见光通讯(如蓝光、绿光)中Micro-LED已被广泛应用,但是在日盲区紫外光通信中,Micro-LED的工艺仍处于发展阶段。对深紫外Micro-LED器件及应用的总结和深入分析对于进一步提高其性能具有重要意义。

图1:倒装紫外LED结构

紫外光通信用日盲型LED

在日盲区紫外光通信系统中,光源LED的调制带宽决定了通信信道容量,它的亮度决定了单跳通信的距离。常规的UVC LED的EQE在1%~3%范围内,发光强度在毫瓦级。在光通信中,常规LED的调制带宽主要受载流子寿命和RC时间常数共同调控,并且与尺寸强烈相关。
 
目前,UVC LED的工艺难点在于光提取效率较低,这与P型层和接触金属的紫外光吸收,外延层/蓝宝石、外延层/空气界面的全内反射,以及高Al组分带来的较难提取的TM模光子的发射增加有关。该现象不利于通信应用。针对这点,光子晶体、衬底背面粗化等一系列方法被提出。目前使用传统大尺寸UVC LED通信的最高速率高达2.4 Gb/s,最远距离可达125 m。
 

紫外光通信用Micro-LED

Micro-LED可以优化侧壁的光提取,并且它的尺寸小,主要受载流子寿命调控的调制带宽相对较高,因此十分利于光通信的应用。

自2019年,Strathclyde大学报道利用262 nm紫外Micro-LED通信阵列实现了1 Gb/s的通信速率以来,对于紫外Micro-LED中的高注入电流密度、波长蓝移和半峰宽变窄等物理现象已被大量研究。目前紫外Micro-LED主要研究方向是器件的制备工艺,基本物理现象,及其对通信、显示方面应用技术提升三个方面。

对通信应用,Strcthclyde大学Daniel M. Maclure团队报道的285 nm波长Micro-LEDs通信阵列芯片分别在10 m和116 m距离上实现了6.5 Gb/s和>1 Gb/s的通信速率,这是目前使用紫外Micro-LED实现的最远距离和速率。

 

图2 (a)用于紫外光通信的Micro-LED阵列的电极部分,(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将同样MQWs结构的紫外LED(或者Micro-LED)和紫外探测器(PD)通过耦合波导连接,利用发光-检测现象进行片上的紫外光通信,实现光互联的技术。这种技术充分利用了高Al组分MQWs发射的横向传播TM模光子。

2022年,中国科学院半导体研究所魏同波团队报道的274 nm LED和自驱动PD、波导的片上集成,在片上通信实验中实现600 μm距离1MHz的通信带宽。自驱动PD表现出127/131 ns的上升/下降响应时间是目前报道的自驱动PD最高性能。

图3(a)由S1-LED加载的发射信号,由S1-PD捕获的接收信号,(b)从S1-PD上得到的接收信号拟合得出的上升/下降时间,(c)在1MHz下测量的通信眼图

 

总结与展望

目前,市场量产UVC LED的研究方向集中在电光转化效率(WPED)和光提取效率优化方面,可量产的芯片的光提取效率从6%~12%向25%提升,WPE由3%向6%提升。量产产品性能提升面临的挑战来自于外延、芯片及封装领域,包括提升材料质量、优化封装材料、改善欧姆接触和降低生产成本等。

目前,部分实验室制备器件的WPE可达6%~10%,预计2026年可突破15%。将紫外LED和自驱动PD集成有望实现多功能系统,如实时检测光强的通信、照明芯片等,但目前相应研究处于发展阶段。

大力发展Micro-LED是改善芯片光提取效率差、亮度低的有效方案。目前,对它的研究集中在器件物理领域,验证了其在提升LED性能方面的潜力,但性能仍与可见光Micro-LED有很大差距。后续应改善其制备工艺,兼顾成本和可靠性,以期实现它在商用领域的高水平应用。

推荐阅览


全球UVC LED芯片市场前10强生产商排名中科潞安排名第八


紫外LED一般指发光中心波长在405 nm以下的LED,LED业界通常将发光波长位于355~405 nm时称为近紫外LED,而短于280 nm时称为深紫外LED。目前在LED的研究和生产中用到最多的材料GaN的禁带宽度为3.4 eV,对应的发光波长为365 nm,刚好处于近紫外波段范围,因此,近紫LED中一般采用GaN作为基材。而深紫外LED通过在基材GaN中添加A l 扩大带隙,获得更短的发光波长。

2023-12-22

中科潞安刘乃鑫 | 紫外光通信用深紫外LED光源


近十年来,随着紫外固态器件的外延生长、制备工艺以及封装技术的快速发展,基于日盲区LED的紫外光通信光源凭借高带宽、易于携带、无毒环保的优点逐步取代了传统的汞灯、气体放电灯等光源。Micro-LED是新兴的工艺技术,它可以实现更大更均匀的注入电流密度,有利于研究大注入状态LED物理现象。特别是近几年,UVC Micro-LED在紫外光通信、显示等领域中展现出了广阔的应用前景,引起了人们的关注和研究热情。

2023-12-22

你知道山西的“两黑两白一紫”吗?


提起山西,大家最熟悉莫过于“两黑两白”,“两黑”是煤和醋,“两白”则是汾酒和面条。而你不知道的是,如今的山西,正在这“两黑两白”的基础上再添一抹色彩——紫。

2023-12-01

中科潞安

在线咨询



为您提供优质的产品和服务