高亮度、高调制带宽的深紫外Micro-LED阵列

摘要

紫外日盲通信具有抗干扰能力好、保密性强、非视距传播的特点，被广泛应用在军事、抢险救灾等领域。AlGaN基深紫外Micro-LED具有小型化、高效率、易集成、高调制带宽等诸多独特优势，是实现日盲通信的理想选择。然而，目前的深紫外Micro-LED存在亮度和光电转换效率低的问题，不足以满足长距离通信的需求。本工作系统研究了降低芯片台面尺寸对光提取效率和电流扩展均匀性的改善作用，成功解决了传统大尺寸LED电流拥挤和器件内部的光吸收损耗问题，基于此研究结果，创新性地提出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，成功实现了兼具高亮度、高电光转换效率和高调制带宽的深紫外互联阵列Micro-LED，在成功实现高速日盲通信应用的同时为高功率杀菌消毒提供了可能。该结果为目前国际上报道的亮度、效率最高的深紫外Micro-LED阵列，将推动AlGaN基深紫外Micro-LED在通讯、杀菌等多领域的集成应用和产业化推广。

关键词：三族氮化物半导体，深紫外Micro-LED，日盲通信

李铎¹，王新强^1,2,*，刘上锋¹，钱泽渊³，刘权锋⁴，刘丹丹⁴，周康⁴，盛珊珊¹，盛博文¹，刘放¹，陈兆营¹，王平¹，王涛⁸，荣新¹，陶仁春¹，康健彬⁵，陈飞良⁶，康俊杰²，袁冶²，王琦⁷，孙明⁴，葛惟昆¹，沈波¹，田朋飞³

1.State Key Laboratory of Artificial Microstructure and Mesoscopic Physics School of Physics, Nano-Optoelectronics Frontiers Science Center of Ministry of Education, Peking University, Beijing 100871, China

2. Songshan Lake Materials Laboratory, Dongguan 523808, China

3. School of Information Science and Technology Fudan University, Shanghai 200438, China

4. Dongguan Sino Crystal Semiconductor Co., Ltd., Dongguan 523500, China

5. Microsystem and Terahertz Research Center China Academy of Engineering Physics, Chengdu 610200, China

6. School of Electronic Science and Engineering University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China

7. Dongguan Institute of Opto-Electronics Peking University, Dongguan 523808, China

8 Electron Microscopy Laboratory, School of Physics, Peking University, Beijing 100871, China

背景介绍

发光波长为200-280 nm的氮化物深紫外LED是一种坚固耐用、易于集成、环境友好、具有长工作寿命的优质紫外光源，在杀菌消毒、空气/水净化、紫外日盲通讯等方面具有重要的应用前景，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，由于AlGaN材料独特的价带结构，其出光以横磁偏振（Transverse-magnetic, TM）模式为主，比纵向出光（Transverse-electric, TE）模式的提取难度高出很多，而外延结构对紫外光的吸收损耗和半导体/空气界面的全反射又进一步加大了光提取难度。此外，高铝组分引入的高电阻，会导致AlGaN基深紫外LED面临电流拥挤问题，使得最终的电光转换效率（Wall-plug efficiency, WPE）难以得到有效提升。因此，目前氮化物深紫外LED的发展面临着“如何同时提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。

针对上述问题，本工作将微米化制备技术引入到深紫外LED的制备中，发现降低台面尺寸能够有效改善电流拥挤现象，从而实现光输出功率密度的提高。在此基础上，发展了一种互联阵列平面Micro-LED（Paralleled-arrayed planar Micro-LED, PAP-μLED）器件制备策略，实现了高性能深紫外PAP μLED的器件制备，获得了高达83.5 mW的光输出功率和高达4.7%的电光转换效率。进一步地，我们将该PAP μLED器件应用在日盲无线通信中，获得了高达380 MHz的-3 dB调制带宽和近1 Gbps的通信速率，为杀菌-通信多功能集成的高性能深紫外光源制备提供了新思路。

实验部分

本工作采用蒙特卡洛-光线追击算法对Micro-LED芯片的出光行为进行模拟分析，利用有限元算法计算了芯片电流密度及分布情况。随后，使用金属有机物化学气相沉积（Metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD）在图形化蓝宝石衬底上制备了2英寸深紫外LED外延，其结构为蓝宝石上的AlN缓冲层、3 μm厚的AlN薄膜、1.5 μm厚的n型Al_0.64Ga_0.36N、五个周期的Al_0.5Ga_0.5N/Al_0.42Ga_0.58N多量子阱结构、10 nm厚的AlGaN电子阻挡层、40 nm厚的p型AlGaN和10 nm厚的p型GaN，并利用高分辨扫描电子显微镜（Scanning transmission electron microscope, STEM）获取了外延结构的高角环形暗场像（High-angle annular dark-filed, HAADF）。接着，利用微纳加工工艺制备了Micro-LED芯片，包括图形工艺、刻蚀工艺、金属/介质薄膜沉积工艺、高温退火工艺、研磨减薄工艺、划劈工艺、以及倒装封装工艺。为评估所制备Micro-LED的光电性能和通信性能，我们利用了LED光电性能综合分析系统，进行了光输出功率-电流（L-I）特性测试，利用网络分析仪、质量分析仪、信号发生器、光电探测器等进行通信带宽和速率测试，利用直流电源和探针台进行了电致发光谱（Electroluminescence，EL）的采集。

结果与讨论

本工作设计的PAP Micro-LED器件结构如图1（a）所示，通过放置环绕发光有源区台面（Mesa）的铝反射镜，能够有效提取台面侧壁、顶部发射的光子。为了系统研究尺寸降低对光提取效率的影响，我们设计了四种互联阵列PAP Micro-LED，它们具有相同的发光总面积，不同的是台面直径和台面个数，根据尺寸分别命名为PAP-0101、PAP-0202、PAP-0404和PAP-0808，对应台面直径分别为25 μm、50 μm、100 μm和200 μm，对应互联台面个数分别为256、64、16和4。接着，我们利用蒙特卡洛-光线追击方法对具有不同台面直径和互联个数的互联阵列Micro-LED的光输出功率（Light output power, LOP）进行了模拟计算，不难发现通过降低台面尺寸和增大互联个数，能够显著提高正对器件出光面的LOP，如图1（c）所示，对应的台面直径和互联个数如表1所示。进一步地，我们提取了PAP-0101、PAP-0202、PAP-0404和PAP-0808的LOP远场空间分布，如图1（d）所示，实验结果表明PAP-0101的TE模式出光强度相比PAP-0202高了4倍、相比PAP-0404高了12倍、相比PAP-0808高了19倍，而TM模式出光比PAP-0202高了60%、比PAP-0404高了2.3倍、相比PAP-0808高了15倍，证明台面微米化和互联策略一方面能够降低p-GaN的吸收损耗，另一方面增大台面侧壁发射光子的数量，从而实现TE和TM模式出光强度的大幅提升，

图1：（a）器件结构示意图；（b）PAP器件像素分布示意图；（c）光输出功率随台面直径的变化规律；（d）PAP-010、PAP-0202、PAP-0404和PAP-0808光输出功率空间分布。

表1: 用于蒙特卡洛-光线追击模拟的互联阵列器件模型规格

进一步地，我们利用有限元分析方法对电流扩展进行了模拟计算，结果如图2所示。图2（a）是用于模拟计算的等效器件模型，它包括两个互联台面，其中L1、L2和L3是用于计算流过对应位置电流密度的探测器，L1、L2和L3的电流密度计算结果如图2（b）、（c）和（d）所示。结果表明降低台面直径能够大幅提升流经台面各区域的电流密度，从而增强了电流扩展均匀性。具体来说，L1处的电流密度分布结果表明台面尺寸越小越有利于电流扩展到台面中心区域参与辐射复合；L2处的电流密度分布结果表明台面尺寸越小越有利于电流在未刻蚀n型AlGaN层中的横向扩展；L3处的电流密度分布结果表明台面尺寸越小越有利于电流从共用n型电极注入。得益于各区域电流密度的增大，器件的工作电压随之降低，如图2（e）所示，PAP-0101在10 V偏置电压下的微分电阻仅为PAP-0808的20%。

图2：（a）互联器件等效模型；（b）L1、（c）L2和（d）L3的电流密度分布结果；（e）PAP器件I-V特性曲线模拟结果。

高质量外延是器件制备的基础，如图3（a）所示为本工作使用的深紫外LED外延结构。为了表征外延结构的晶体质量，我们利用扫描透射电子显微镜采集了该外延结构高角环形暗场像，结果如图3（b）所示，各层界面锐利、清晰，表现出优异的晶体质量。如图3（c）所示，电致发光谱（EL）结果表明该外延结构具有良好的单色性，发光中心波长为279 nm，50 mA注入电流下的发光峰半高宽为12 nm。图3（d）则给出了PAP-0101、PAP-0202、PAP-0404和PAP-0808的光学显微镜图像，结果表明互联n型电极之间无断触，器件表面洁净，无开裂、划痕和断面的存在。

图3：（a）深紫外LED外延结构和（b）对应的HAADF-STEM像；（c）不同外加电流下的EL光谱；（d）PAP-0101/0202/0404/0808器件光学显微镜图像。

为了对所制备的PAP μLED进行光电参数的采集和分析，我们利用积分球进行了光输出L-I特性曲线和WPE-I特性曲线测试，结果如图4所示。得益于电流扩展分布和应力分布均匀性的提升，台面尺寸为25 μm的芯片获得了超过400 W/cm²的光输出功率密度，如图4（a）所示。尽管其绝对功率较低，但是经过互联后，像素个数为256的PAP-0101的光输出功率达到了最高83.5 mW（@ 1150 A/cm²），比具有同等发光面积商用器件1020（尺寸为10 × 20 mil²）高出了近一个数量级，如图4（b）所示。而电光转换效率（Wall-plug efficiency, WPE）则达到了4.7%（@ 775 A/cm²），是1020器件的1.9倍高，如图4（c）。值得注意的是，PAP-0101是在高电流注入密度下同时实现了高光输出功率和WPE，这与传统的商用器件1020截然不同，后者的最高WPE往往在很小的注入电流密度下实现，而无法做到亮度和WPE的同步增大，这也是限制深紫外LED应用发展的一大重要因素。

图4：（a）不同台面尺寸器件的光输出功率和光输出功率密度；（b）PAP器件和商用1020器件的光输出功率（LOP）随注入电流密度变化情况；（c）PAP器件和商用1020器件的电光转换效率（WPE）随注入电流密度变化情况。

PAP-0101在高注入电流密度下的高亮度、高效率特性对提高通信调制带宽（-3 dB带宽）十分有利。得益于此，PAP-0101在250 mA（1243 A/cm²）的电流注入密度下获得了高达380 MHz的-3 dB调制带宽，如图5（a）所示。在高调制带宽的基础上，获得了最高970 Mbps的OFDM调制前向纠错（FEC）速率，如图5（b）所示。该通信结果处于国际一流水平。

图5：（a）PAP-0101在不同注入电流密度下的-3 dB调制带宽；（b）PAP-0101在不同信号调制深度（V_pp）下的通信速率。

结论

综上所述，本工作利用互联阵列PAP Micro-LED策略，改善电流扩展均匀性，成功解决了传统大尺寸LED电流拥挤和器件内部的光吸收损耗问题，实现了高电流注入密度下亮度、电光转换效率以及调制带宽的大幅提升，该器件在高电流注入密度（＞700 A/cm²）下实现了超高光输出功率（83.55 mW），比现有同等尺寸商用器件高出近一个数量级，同时实现了高达4.7%的电光转换效率。基于此优异性能，该器件被成功应用在日盲无线通讯，获得了高达380 MHz的-3 dB调制带宽和近1 Gbps的通信速率。该结果为兼具高功率杀菌消毒和长距离日盲通信的集成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Micro-LED，为集成、多功能深紫外LED的制备、大规模应用和产业化推广提供了新思路。目前，本团队正在计划大规模制造该高性能深紫外PAP Micro-LED。

扩展阅读

[1]. Duo Li, Xinqiang Wang*, et al. Deep ultraviolet micro-LEDs exhibiting high output power and high modulation bandwidth simultaneously. Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.202109765.

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