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田朋飞课题组在第三代半导体显示与通信方面的最新进展

近日，复旦大学田朋飞课题组关于硅基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，成果发表后国际半导体行业著名杂志《Semiconductor Today》以“用于可见光通信的红色 InGaN LED”（Red InGaN LEDs for visible light communication）为题做了专栏报道，指出“复旦大学和中国江西晶能半导体股份有限公司首次报告了用于可见光通信的硅基板上的红色发射微型发光二极管，该团队还研究了各种尺寸的微型 LED 的波长/颜色随着电流的增加从红色变为绿色，以用于显示和多波长数据传输”。

图1、《Semiconductor Today》报道的截图

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，该团队选取硅衬底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2）。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2 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100 μm）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3）。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3（a）所有尺寸像素的-3 dB调制带宽随电流密度的变化。（b）40 μm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4）。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4 WDM-OWC系统的实验装置示意图。

田朋飞课题组立足第三代半导体micro-LED器件核心技术，研究micro-LED器件工艺、转移打印及封装技术，在micro-LED显示、光通信、引力波探测、脑机接口等芯片和系统方面具有长期研究基础。

论文由复旦大学与晶能光电股份有限公司共同完成，复旦大学陆馨怡为第一作者，田朋飞为论文通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科学技术委员会、江苏省重点研发计划等项目的资助。