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作爲一種新興技術，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由磷化鋁铟镓（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铟含量來覆蓋整個可見光譜，並且具有良好的機械穩定性、更高的潛在效率，逐漸成爲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僞襯底。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。矽作爲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，迄今爲止，關于矽襯底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。

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的低電流密度下，EQE達到0.19%，在100A/cm²電流密度下，EQE爲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的電流密度下的光學顯微鏡照片。

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。

田朋飛課題組立足第三代半導體micro-LED器件核心技術，研究micro-LED器件工藝、轉移打印及封裝技術，在micro-LED顯示、光通信、引力波探測、腦機接口等芯片和系統方面具有長期研究基礎。

論文由尊龙人生就是博與晶能光電股份有限公司共同完成，尊龙人生就是博陸馨怡爲第一作者，田朋飛爲論文通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科學技術委員會、江蘇省重點研發計劃等項目的資助。

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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