中(zhōng)科潞安劉乃鑫 | 紫外(wài)光通信用深紫外(wài)LED光源
發布時間：
2023-12-22
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摘要
近十年來，随着紫外(wài)固态器件的外(wài)延生(shēng)長、制備工(gōng)藝以及封裝技術的快速發展，基于日盲區LED的紫外(wài)光通信光源憑借高帶寬、易于攜帶、無毒環保的優點逐步取代了傳統的汞燈、氣體(tǐ)放(fàng)電燈等光源。Micro-LED是新興的工(gōng)藝技術，它可以實現更大(dà)更均勻的注入電流密度，有利于研究大(dà)注入狀态LED物(wù)理現象。特别是近幾年，UVC Micro-LED在紫外(wài)光通信、顯示等領域中(zhōng)展現出了廣闊的應用前景，引起了人們的關注和研究熱情。
近日，中(zhōng)國科學院半導體(tǐ)研究所、中(zhōng)科潞安研發負責人劉乃鑫博士等在《發光學報》（EI、Scopus、核心期刊）發表了題爲“紫外(wài)光通信用日盲型LED研究進展”的綜述文章。
該綜述重點介紹了2019年以來報道的UVC Micro-LED研究成果，并對其基本電光性能、通信和片上集成應用進行了總結。最後，對深紫外(wài)LED，特别是深紫外(wài)Micro-LED器件的未來發展趨勢做了展望。
引言
Micro-LED也叫μLED，是指台面尺寸在1~100 μm的LED芯片，相比較傳統深紫外(wài)LED芯片，它的電流擴展性好、散熱快、載流子壽命短和RC時間常數小(xiǎo)，有利于提升通信帶寬。采用陣列排布後，相比相同發光面積的傳統深紫外(wài)LED光提取效率明顯提升。在可見光通訊（如藍(lán)光、綠光）中(zhōng)Micro-LED已被廣泛應用，但是在日盲區紫外(wài)光通信中(zhōng)，Micro-LED的工(gōng)藝仍處于發展階段。對深紫外(wài)Micro-LED器件及應用的總結和深入分(fēn)析對于進一(yī)步提高其性能具有重要意義。
圖1：倒裝紫外(wài)LED結構
紫外(wài)光通信用日盲型LED
紫外(wài)光通信用Micro-LED
Micro-LED可以優化側壁的光提取，并且它的尺寸小(xiǎo)，主要受載流子壽命調控的調制帶寬相對較高，因此十分(fēn)利于光通信的應用。
自2019年，Strathclyde大(dà)學報道利用262 nm紫外(wài)Micro-LED通信陣列實現了1 Gb/s的通信速率以來，對于紫外(wài)Micro-LED中(zhōng)的高注入電流密度、波長藍(lán)移和半峰寬變窄等物(wù)理現象已被大(dà)量研究。目前紫外(wài)Micro-LED主要研究方向是器件的制備工(gōng)藝，基本物(wù)理現象，及其對通信、顯示方面應用技術提升三個方面。
對通信應用，Strcthclyde大(dà)學Daniel M. Maclure團隊報道的285 nm波長Micro-LEDs通信陣列芯片分(fēn)别在10 m和116 m距離(lí)上實現了6.5 Gb/s和>1 Gb/s的通信速率，這是目前使用紫外(wài)Micro-LED實現的最遠距離(lí)和速率。
圖2 （a）用于紫外(wài)光通信的Micro-LED陣列的電極部分(fēn)，（b）Micro-LED芯片部分(fēn)
紫外(wài)光通信的片上集成
紫外(wài)光通信的片上集成通常是指将同樣MQWs結構的紫外(wài)LED（或者Micro-LED）和紫外(wài)探測器（PD）通過耦合波導連接，利用發光-檢測現象進行片上的紫外(wài)光通信，實現光互聯的技術。這種技術充分(fēn)利用了高Al組分(fēn)MQWs發射的橫向傳播TM模光子。
2022年，中(zhōng)國科學院半導體(tǐ)研究所魏同波團隊報道的274 nm LED和自驅動PD、波導的片上集成，在片上通信實驗中(zhōng)實現600 μm距離(lí)1MHz的通信帶寬。自驅動PD表現出127/131 ns的上升/下(xià)降響應時間是目前報道的自驅動PD最高性能。
圖3（a）由S1-LED加載的發射信号，由S1-PD捕獲的接收信号，（b）從S1-PD上得到的接收信号拟合得出的上升/下(xià)降時間，（c）在1MHz下(xià)測量的通信眼圖
總結與展望
目前，市場量産UVC LED的研究方向集中(zhōng)在電光轉化效率（WPED）和光提取效率優化方面，可量産的芯片的光提取效率從6%~12%向25%提升，WPE由3%向6%提升。量産産品性能提升面臨的挑戰來自于外(wài)延、芯片及封裝領域，包括提升材料質量、優化封裝材料、改善歐姆接觸和降低生(shēng)産成本等。
目前，部分(fēn)實驗室制備器件的WPE可達6%~10%，預計2026年可突破15%。将紫外(wài)LED和自驅動PD集成有望實現多功能系統，如實時檢測光強的通信、照明芯片等，但目前相應研究處于發展階段。
大(dà)力發展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(zhōng)在器件物(wù)理領域，驗證了其在提升LED性能方面的潛力，但性能仍與可見光Micro-LED有很大(dà)差距。後續應改善其制備工(gōng)藝，兼顧成本和可靠性，以期實現它在商(shāng)用領域的高水平應用。
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