研究背景
Micro-LED因其体积小、灵活性高、易于拆解合并等特点，能够部署在现有的从最小到最大尺寸的任何显示应用场合中，并且在很多情况下它将比LCD（液晶显示）和OLED（有机发光二极管）发挥更独特的效果。未来，Micro-LED将从平板显示扩展到AR/VR/MR、空间显示、柔性透明显示、可穿戴/可植入光电器件、通信互联等诸多领域。其中，基于Micro-LED的照明和通信设施具有广泛的应用前景。在自由空间可见光通信方面，如在房间和办公室等室内环境可以实现中长距离高速通信；波长小于300nm的深紫外光在自由空间光通信上具有一些特定的优势，因此深紫外通信也是目前的热门研究方向之一。
研究创新
近日，北京大学和松山湖实验室的王新强研究团队及其合作者，在材料顶级期刊Advanced Materials上发表了题为“Deep-Ultraviolet Micro-LEDs Exhibiting High Output Power and High Modulation Bandwidth Simultaneously”的文章（doi: 10.1002/adma.202109765）。文中报道了该团队为克服AlGaN材料的深紫外Micro-LED长距离通信的难题，创新性发展了一种互联阵列平面Micro-LED（Paralleled-arrayed planar Micro-LED, PAP-μLED）的器件制备技术，实现了兼具高光输出功率、高调制带宽和高响应速率的深紫外Micro-LED通信光源。
文章通过理论计算表明利用互联阵列PAP-μLED策略能够改善电流扩展和应力分布均匀性，解决了传统大尺寸LED电流拥挤和器件内部的光吸收损耗问题，并削弱了张应力转变带来的横向（Transverse-magnetic, TM）模式出光，如图所示。
（a）DUV-μLED区域的截面示意图（b）不同芯片尺寸的阵列排布（c）不同μLED尺寸下计算得到的亮度趋势（d）不同芯片尺寸阵列下的TE和TM出光计算结果
实验结果表明，当芯片尺寸降至25 μm，互联个数增至256时，命名为PAP-0101的μLED阵列可实现输出功率、调制带宽和响应速率的大幅度提升。在下图中可以看出，该器件在1150 A/cm2的电流注入密度下实现了83.5 mW的光输出功率，比同等尺寸的商用器件高出近一个数量级，对应其电光转换效率在775 A/cm2下则达到了4.7%。基于其优异的输出功率特性，该器件的日盲无线通信的-3 dB调制带宽高达380 MHz，通信速率近1 Gbps。该结果为兼具高功率杀菌消毒和长距离日盲通信的集成式深紫外光源制备提供了新思路，也是目前世界上报道的亮度、效率最高的深紫外μLED。
（a）PAP-0101与商用1020规格DUV-LED光输出功率（LOP）随注入电流密度变化情况;（b）PAP-0101与商用1020规格DUV-LED电光转换效率（WPE）随注入电流密度变化情况;( c ) PAP-0101在不同输入电流密度下的-3 dB调制带宽；（d）PAP-0101在不同信号调制深度（VPP）下的误码率-通信速率关系。
研究院最新进展
江苏第三代半导体研究院有限公司（以下简称研究院）是由江苏省、苏州市、苏州工业园区与第三代半导体产业技术创新战略联盟和研究院核心运营团队共建的新型研发机构，2019年7月注册于苏州工业园区。研究院以培育发展第三代半导体技术应用产业为目标，围绕产业发展需求，聚焦第三代半导体在新型显示、5G 通信、电力电子、环境与健康等领域的应用，开展第三代半导体高质量材料制备技术、器件外延技术、芯片工艺技术、应用模块设计与集成技术、相关装备技术等关键共性技术研发和成果转移转化。
在Micro-LED通信和传感方面，2021年底研究院顺利成为南京大学牵头的“新结构、新功能微小尺寸LED材料与器件及其在通信/传感领域的应用”的国家重点研发计划的参与单位，立足基于GaN单晶衬底的同质Micro-LED外延结构的开发与优化，专注于高晶体质量、零残余应力和高光电性能的外延材料为其核心技术。
2021年国家重点研发计划科技部批文
目前，研究院已研发出应用于通信领域的GaN基同质Micro-LED外延结构，所生长的高性能外延片经过项目合作单位—复旦大学的Micro-LED芯片验证和器件工艺，实现了-3 dB调制带宽从初期400MHz增加到当前超过1GHz的主要通信指标的提升。如下图所示，相比于世界上该领域的其他报道，研究院和复旦大学所开发的极性面（C面）GaN基Micro-LED性能处于国际领先水平。
GaN基Micro-LED通信应用的调制带宽报道
来源: FDU & IASEMI
