WPE破9.5%，CQ9电子紫外LED实现升级“三连跳”
发布时间 : 2024-01-17
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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、CQ9电子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
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大学首次报道利用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。
