高亮度、高调制带宽的深紫外Micro-LED阵列

2022-04-15
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近日,北京大学与松山湖材料实验室、复旦大学、东莞中晶半导体有限公司经过深入合作,利用阵列互联微米化技术路线,成功实现了高亮度、高调制带宽深紫外Micro-LED阵列的研制,该工作成果有望大幅度提升产业化深紫外LED的器件性能并扩展其应用领域,实现杀菌消毒和日盲通信等跨领域应用功能的集成。

发光波长为200-280 nm的氮化物半导体深紫外LED是一种坚固耐用、易于集成、环境友好和具有长工作寿命的优质紫外光源,在杀菌消毒、空气/水净化、日盲通讯等方面具有重要的应用前景,近年来受到广泛关注和研究。随着联合国《关于汞的水俣公约》颁布,亟需发展氮化物深紫外LED以全面替代汞灯,实现可持续发展。但是,低的光提取效率和电注入效率,导致目前氮化物深紫外LED面临着“如何同时获得高光输出功率和电光转换效率”这一难题。实现亮度和效率瓶颈的突破,让“高亮度、高效率的深紫外LED走出实验室并投入大规模应用”是学术界和产业界孜孜以求的目标。

针对上述关键科学问题,来自北京大学和松山湖实验室的联合研究团队及其合作者面向产业化应用,发展了一种互联阵列平面Micro-LED(Paralleled-arrayed planar Micro-LED, PAP-μLED)的器件制备策略。理论计算和实验结果表明利用互联阵列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,进一步提高了光提取效率,实现了高注入电流密度下亮度、电光转换效率以及调制带宽的集体提升。

当芯片尺寸降至25 μm,互联个数增至256时,命名为PAP-0101的μLED阵列可实现亮度和效率的大幅度提升,如图1(a)所示,该器件在大于700 A/cm2的电流注入密度下实现了83.5 mW(@ 1150 A/cm2)的光输出功率,比同等尺寸的商用器件高出近一个数量级。而其电光转换效率则达到了4.7%(@ 775 A/cm2),如图1(b)所示。基于其优异性能,该器件还可应用在日盲无线通讯:-3 dB调制带宽高达380 MHz,如图1(c)所示;通信速率近1 Gbps,如图1(d)所示。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,回答了“如何同时获得高光输出功率和电光转换效率”这一关键科学问题。该成果为目前世界上报道的亮度、效率最高的深紫外μLED,为集成式、多功能深紫外μLED的大规模制备、应用和产业化推广提供了新思路。

2022年4月7日,相关研究成果以“Deep-Ultraviolet Micro-LEDs Exhibiting High Output Power and High Modulation Bandwidth Simultaneously”为题在线发表在《先进材料》(Advanced Materials),DOI: 10.1002/adma.202109765。

图1 (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,插图为PAP-0101点亮图片;(b)AP-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。

参考文献

Duo Li, et al. Deep-Ultraviolet Micro-LEDs Exhibiting High Output Power and High Modulation Bandwidth Simultaneously. Advanced Materials 2022, 2109765, doi: 10.1002/adma.202109765.

 

原文附件:Advanced Materials - 2022 - Li - Deep‐Ultraviolet Micro‐LEDs Exhibiting High Output Power and High Modulation Bandwidth.pdf

 

 

撰稿:第三代半导体团队