国内团队显示和光学近场通信的全彩Micro LED器件

2022-07-08 10:32:30

近日，来自中国的一个研究团队在期刊上报告了一种将微型二极管像素(μLEDP, Micro-LED Pixels)和红绿蓝集成式超像素(RGBSP, RGB Super-Pixels)集成在一起的一体化微型发光二极管器件。据研究人员介绍，该器件的开发目标是同时具有显示和光学近场通信(ONFC, Optical Near-Field Communication)功能。

根据韩媒Semiconductor Today报道，“据我们所知，与其他基于多色、低电容、高宽带LED器件的已发表结果相比，我们所设计的集成式μLEDP实现了最高的数据传输速率，”来自该研究团队的人员说道，该团队由来自南方科技大学、香港科技大学及香港科技大学深港协同创新研究院的人员组成。

研究人员制造的RGBSP器件尺寸为100μmx200μm。在测试中，研究人员实现了从暖白到冷白的很宽的色温调节，据此他们看到了这种μLEDP在普通照明应用中的极大潜力。

如下图1所示，研究人员通过金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 技术在砷化镓 (GaAs) 衬底上沉积了铝镓铟磷 (AlGaInP) 多量子阱(MQW)红色超像素。然后，研究人员又进一步将该材料粘合到蓝宝石基板上，并通过湿法蚀刻掉原来的衬底。

紧接着，研究人员结合二氧化硅(SiO2)硬掩模，使用电感耦合等离子体(ICP)蚀刻出该发光芯片的Mesa台面。然后，他们在n-GaP层上方制作出芯片的阴极，该阴极由200nm的金/锗/镍 (Au/Ge/Ni)组成，相应地，研究人员在p-GaP层上制作了由200nm金/锌 (Au/Zn) 组成的阳极。此外，该芯片还使用等离子增强型CVD工艺沉积了600nm的钝化层。

图1. (a-f) AlGaInP 红色超像素（上）和 InGaN绿/蓝超像素（下）在所提一体化μLEDP 器件中的制造工艺流程

同样过程，研究人员使用MOCVD技术在蓝宝石衬底上方沉积出绿色和蓝色超像素。同样地，这些芯片地Mesa台面也是使用ICP工艺蚀刻形成的。这之后，研究人员在p-GaN接触材料上沉积一层10nm厚的Ni/Au层作为电流扩展层(CSL，Current Spreading Layer)。为了保证两层之间通过欧姆接触方式接触，这一层还需要做经受快速热退火处理。正负电极由钛/铝/钛/金(Ti/Al/Ti/Au)材料组成。

据介绍，上述μLEDP器件的组装和封装方法是：首先将焊料涂布到器件上，然后使用激光切割对晶圆进行分割。接着，研究人员将该RGBSP以50um间距和倒装芯片键合方式转移到一个具有共阳极设计地电路上。为了提高对比度，研究人员使用了黑色硅胶。该器件的最终尺寸为0.79mmx0.79mmx0.65mm，如图2所示。

图2：(a) μLEDP内部封装结构的3D透视图；(b) 该转移芯片的显微图像

经过测试，研究人员发现上述三种颜色子芯片器件对应10-4A/cm2 电流密度的电压分别为1.44、2.00和2.33V。该三种颜色子芯片器件的峰值光功率分别为1.86/2.08/4.33mW，对应驱动电流分别为20/55/55mA。

该RGB子器件所发光的光谱峰值波长分别为640nm、515nm和463nm，对应半峰全宽 (FWHM)分别为23nm、38nm和28nm。这些测量结果对应的驱动电流分别为 30mA、55mA和55mA。

据测试，该RGB Micro-LED芯片组合的色域是NTSC标准的109%。除了显示应用外，该器件还可以满足相关色温 (CCT) 介于2831.7K和10016.8K之间的任何智能照明需求——从暖白到中性白，再到冷白。

从通信角度看，该器件在注入电流分别为45mA、70mA和75mA时，研究人员测量得出的 ONFC RGB带宽分别为62MHz、58MHz和61MHz。据该团队认为，这些值对于实际的 ONNFC系统来说已经足够了。

研究人员评论说：“由于不同基板对子像素芯片转移的限制，这项研究中RGBSP的调制带宽仍有进一步提升的空间。该RGBSP的大小是根据对显示和通信链路性能的考虑选择的。”

研究人员使用伪随机二进制序列测试了该器件的误码率(BER，Bit-Error Rate)，结果显示，在前向纠错不超过3.8e-3前提下，该器件的数据传输速率分别高达220、170和195Mbits/s。在误码率为3. 10e-9时，数据速率分别为201/148/179Mb/s。

另外，研究人员还针对该器件建立了一个等效电路模型，以便研究人员在仿真过程中探索各种数据调制方案，例如不归零(NRZ) 和4级脉冲幅度调制 (PAM-4)。目前，在这些模拟方案中，最大的数据传输速率分别可以达到0.3Gb/s和1.1Gb/s。

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