中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所劉乃鑫博士等在《發(fā)光學(xué)報(bào)》發(fā)表了題為“紫外光通信用日盲型LED研究進(jìn)展”的綜述文章，重點(diǎn)介紹了2019年以來(lái)報(bào)道的UVC Micro-LED研究成果，一起來(lái)看！

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圖1：倒裝紫外LED結(jié)構(gòu)

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引言

Micro-LED也叫μLED，是指臺(tái)面尺寸在1~100 μm的LED芯片，相比較傳統(tǒng)深紫外LED芯片，它的電流擴(kuò)展性好、散熱快、載流子壽命短和RC時(shí)間常數(shù)小，有利于提升通信帶寬。采用陣列排布后，相比相同發(fā)光面積的傳統(tǒng)深紫外LED光提取效率明顯提升。在可見(jiàn)光通訊（如藍(lán)光、綠光）中Micro-LED已被廣泛應(yīng)用，但是在日盲區(qū)紫外光通信中，Micro-LED的工藝仍處于發(fā)展階段。對(duì)深紫外Micro-LED器件及應(yīng)用的總結(jié)和深入分析對(duì)于進(jìn)一步提高其性能具有重要意義。

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紫外光通信用日盲型LED

在日盲區(qū)紫外光通信系統(tǒng)中，光源LED的調(diào)制帶寬決定了通信信道容量，它的亮度決定了單跳通信的距離。常規(guī)的UVC LED的EQE在1%~3%范圍內(nèi)，發(fā)光強(qiáng)度在毫瓦級(jí)。在光通信中，常規(guī)LED的調(diào)制帶寬主要受載流子壽命和RC時(shí)間常數(shù)共同調(diào)控，并且與尺寸強(qiáng)烈相關(guān)。

目前，UVC LED的工藝難點(diǎn)在于光提取效率較低，這與P型層和接觸金屬的紫外光吸收，外延層/藍(lán)寶石、外延層/空氣界面的全內(nèi)反射，以及高Al組分帶來(lái)的較難提取的TM模光子的發(fā)射增加有關(guān)。該現(xiàn)象不利于通信應(yīng)用。針對(duì)這點(diǎn)，光子晶體、襯底背面粗化等一系列方法被提出。目前使用傳統(tǒng)大尺寸UVC LED通信的最高速率高達(dá)2.4 Gb/s，最遠(yuǎn)距離可達(dá)125 m。

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紫外光通信用Micro-LED

Micro-LED可以優(yōu)化側(cè)壁的光提取，并且它的尺寸小，主要受載流子壽命調(diào)控的調(diào)制帶寬相對(duì)較高，因此十分利于光通信的應(yīng)用。

自2019年，Strathclyde大學(xué)首次報(bào)道利用262 nm紫外Micro-LED通信陣列實(shí)現(xiàn)了1 Gb/s的通信速率以來(lái)，對(duì)于紫外Micro-LED中的高注入電流密度、波長(zhǎng)藍(lán)移和半峰寬變窄等物理現(xiàn)象已被大量研究。目前紫外Micro-LED主要研究方向是器件的制備工藝，基本物理現(xiàn)象，及其對(duì)通信、顯示方面應(yīng)用技術(shù)提升三個(gè)方面。

對(duì)通信應(yīng)用，Strcthclyde大學(xué)Daniel M. Maclure團(tuán)隊(duì)報(bào)道的285 nm波長(zhǎng)Micro-LEDs通信陣列芯片分別在10 m和116 m距離上實(shí)現(xiàn)了6.5 Gb/s和>1 Gb/s的通信速率，這是目前使用紫外Micro-LED實(shí)現(xiàn)的最遠(yuǎn)距離和速率。

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圖2 （a）用于紫外光通信的Micro-LED陣列的電極部分，（b）Micro-LED芯片部分

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紫外光通信的片上集成

紫外光通信的片上集成通常是指將同樣MQWs結(jié)構(gòu)的紫外LED（或者M(jìn)icro-LED）和紫外探測(cè)器（PD）通過(guò)耦合波導(dǎo)連接，利用發(fā)光-檢測(cè)現(xiàn)象進(jìn)行片上的紫外光通信，實(shí)現(xiàn)光互聯(lián)的技術(shù)。這種技術(shù)充分利用了高Al組分MQWs發(fā)射的橫向傳播TM模光子。

2022年，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所魏同波團(tuán)隊(duì)報(bào)道的274 nm LED和自驅(qū)動(dòng)PD、波導(dǎo)的片上集成，在片上通信實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)600 μm距離1MHz的通信帶寬。自驅(qū)動(dòng)PD表現(xiàn)出127/131 ns的上升/下降響應(yīng)時(shí)間是目前報(bào)道的自驅(qū)動(dòng)PD最高性能。

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圖3（a）由S1-LED加載的發(fā)射信號(hào)，由S1-PD捕獲的接收信號(hào)，（b）從S1-PD上得到的接收信號(hào)擬合得出的上升/下降時(shí)間，（c）在1MHz下測(cè)量的通信眼圖

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總結(jié)與展望

目前，市場(chǎng)量產(chǎn)UVC LED的研究方向集中在電光轉(zhuǎn)化效率（WPED）和光提取效率優(yōu)化方面，可量產(chǎn)的芯片的光提取效率從6%~12%向25%提升，WPE由3%向6%提升。量產(chǎn)產(chǎn)品性能提升面臨的挑戰(zhàn)來(lái)自于外延、芯片及封裝領(lǐng)域，包括提升材料質(zhì)量、優(yōu)化封裝材料、改善歐姆接觸和降低生產(chǎn)成本等。

目前，部分實(shí)驗(yàn)室制備器件的WPE可達(dá)6%~10%，預(yù)計(jì)2026年可突破15%。將紫外LED和自驅(qū)動(dòng)PD集成有望實(shí)現(xiàn)多功能系統(tǒng)，如實(shí)時(shí)檢測(cè)光強(qiáng)的通信、照明芯片等，但目前相應(yīng)研究處于發(fā)展階段。

大力發(fā)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(duì)它的研究集中在器件物理領(lǐng)域，驗(yàn)證了其在提升LED性能方面的潛力，但性能仍與可見(jiàn)光Micro-LED有很大差距。后續(xù)應(yīng)改善其制備工藝，兼顧成本和可靠性，以期實(shí)現(xiàn)它在商用領(lǐng)域的高水平應(yīng)用。

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原文：https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20230099/