導讀

近十年來，隨著紫外固態器件的外延生長、制備工藝以及封裝技術的快速發展，基于日盲區LED的紫外光通信光源憑借高帶寬、易于攜帶、無毒環保的優點逐步取代了傳統的汞燈、氣體放電燈等光源。Micro-LED是新興的工藝技術，它可以實現更大更均勻的注入電流密度，有利于研究大注入狀態LED物理現象。特別是近幾年，UVC Micro-LED在紫外光通信、顯示等領域中展現出了廣闊的應用前景，引起了人們的關注和研究熱情。

近日，中國科學院半導體研究所劉乃鑫博士等在《發光學報》（EI、Scopus、核心期刊）發表了題為“紫外光通信用日盲型LED研究進展”的綜述文章。

該綜述重點介紹了2019年以來報道的UVC Micro-LED研究成果，并對其基本電光性能、通信和片上集成應用進行了總結。最后，對深紫外LED，特別是深紫外Micro-LED器件的未來發展趨勢做了展望。

引言

Micro-LED也叫μLED，是指臺面尺寸在1~100 μm的LED芯片，相比較傳統深紫外LED芯片，它的電流擴展性好、散熱快、載流子壽命短和RC時間常數小，有利于提升通信帶寬。采用陣列排布后，相比相同發光面積的傳統深紫外LED光提取效率明顯提升。在可見光通訊（如藍光、綠光）中Micro-LED已被廣泛應用，但是在日盲區紫外光通信中，Micro-LED的工藝仍處于發展階段。對深紫外Micro-LED器件及應用的總結和深入分析對于進一步提高其性能具有重要意義。

圖1：倒裝紫外LED結構

紫外光通信用日盲型LED

在日盲區紫外光通信系統中，光源LED的調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。常規的UVC LED的EQE在1%~3%范圍內，發光強度在毫瓦級。在光通信中，常規LED的調制帶寬主要受載流子壽命和RC時間常數共同調控，并且與尺寸強烈相關。

目前，UVC LED的工藝難點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/藍寶石、外延層/空氣界面的全內反射，以及高Al組分帶來的較難提取的TM模光子的發射增加有關。該現象不利于通信應用。針對這點，光子晶體、襯底背面粗化等一系列方法被提出。目前使用傳統大尺寸UVC LED通信的最高速率高達2.4 Gb/s，最遠距離可達125 m。

紫外光通信用Micro-LED

Micro-LED可以優化側壁的光提取，并且它的尺寸小，主要受載流子壽命調控的調制帶寬相對較高，因此十分利于光通信的應用。

自2019年，Strathclyde大學首次報道利用262 nm紫外Micro-LED通信陣列實現了1 Gb/s的通信速率以來，對于紫外Micro-LED中的高注入電流密度、波長藍移和半峰寬變窄等物理現象已被大量研究。目前紫外Micro-LED主要研究方向是器件的制備工藝，基本物理現象，及其對通信、顯示方面應用技術提升三個方面。

對通信應用，Strcthclyde大學Daniel M. Maclure團隊報道的285 nm波長Micro-LEDs通信陣列芯片分別在10 m和116 m距離上實現了6.5 Gb/s和>1 Gb/s的通信速率，這是目前使用紫外Micro-LED實現的最遠距離和速率。

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

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結構的紫外LED（或者Micro-LED）和紫外探測器（PD）通過耦合波導連接，利用發光-檢測現象進行片上的紫外光通信，實現光互聯的技術。這種技術充分利用了高Al組分MQWs發射的橫向傳播TM模光子。

2022年，中國科學院半導體研究所魏同波團隊報道的274 nm LED和自驅動PD、波導的片上集成，在片上通信實驗中實現600 μm距離1MHz的通信帶寬。自驅動PD表現出127/131 ns的上升/下降響應時間是目前報道的自驅動PD最高性能。

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

總結與展望

目前，市場量產UVC LED的研究方向集中在電光轉化效率（WPED）和光提取效率優化方面，可量產的芯片的光提取效率從6%~12%向25%提升，WPE由3%向6%提升。量產產品性能提升面臨的挑戰來自于外延、芯片及封裝領域，包括提升材料質量、優化封裝材料、改善歐姆接觸和降低生產成本等。

目前，部分實驗室制備器件的WPE可達6%~10%，預計2026年可突破15%。將紫外LED和自驅動PD集成有望實現多功能系統，如實時檢測光強的通信、照明芯片等，但目前相應研究處于發展階段。

大力發展Micro-LED是改善芯片光提取效率差、亮度低的有效方案。目前，對它的研究集中在器件物理領域，驗證了其在提升LED性能方面的潛力，但性能仍與可見光Micro-LED有很大差距。后續應改善其制備工藝，兼顧成本和可靠性，以期實現它在商用領域的高水平應用。

論文信息

郭春輝,孫雪嬌,郭凱,張曉娜,王兵,魏同波,王申,蘇晉榮,閆建昌,劉乃鑫*.紫外光通信用日盲型LED研究進展[J],發光學報,2023,44(10):1850-1861. DOI: 10.37188/CJL.20230099.

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

通訊作者簡介

劉乃鑫，中國科學院半導體研究所助理研究員，2009年于中國科學院研究生院獲得博士學位，主要從事寬禁帶氮化物半導體材料外延生長及其發光器件制備工藝等相關研究。

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