发光学报 | 紫外光通信用深紫外LED光源

导读

近十年来，随着紫外固态器件的外延生长、制备工艺以及封装技术的快速发展，基于日盲区LED的紫外光通信光源凭借高带宽、易于携带、无毒环保的优点逐步取代了传统的汞灯、气体放电灯等光源。Micro-LED是新兴的工艺技术，它可以实现更大更均匀的注入电流密度，有利于研究大注入状态LED物理现象。特别是近几年，UVC Micro-LED在紫外光通信、显示等领域中展现出了广阔的应用前景，引起了人们的关注和研究热情。

近日，中国科学院半导体研究所刘乃鑫博士等在《发光学报》（EI、Scopus、核心期刊）发表了题为“紫外光通信用日盲型LED研究进展”的综述文章。

该综述重点介绍了2019年以来报道的UVC Micro-LED研究成果，并对其基本电光性能、通信和片上集成应用进行了总结。最后，对深紫外LED，特别是深紫外Micro-LED器件的未来发展趋势做了展望。

引言

Micro-LED也叫μLED，是指台面尺寸在1~100 μm的LED芯片，相比较传统深紫外LED芯片，它的电流扩展性好、散热快、载流子寿命短和RC时间常数小，有利于提升通信带宽。采用阵列排布后，相比相同发光面积的传统深紫外LED光提取效率明显提升。在可见光通讯（如蓝光、绿光）中Micro-LED已被广泛应用，但是在日盲区紫外光通信中，Micro-LED的工艺仍处于发展阶段。对深紫外Micro-LED器件及应用的总结和深入分析对于进一步提高其性能具有重要意义。

图1：倒装紫外LED结构

紫外光通信用日盲型LED

在日盲区紫外光通信系统中，光源LED的调制带宽决定了通信信道容量，它的亮度决定了单跳通信的距离。常规的UVC LED的EQE在1%~3%范围内，发光强度在毫瓦级。在光通信中，常规LED的调制带宽主要受载流子寿命和RC时间常数共同调控，并且与尺寸强烈相关。

目前，UVC LED的工艺难点在于光提取效率较低，这与P型层和接触金属的紫外光吸收，外延层/蓝宝石、外延层/空气界面的全内反射，以及高Al组分带来的较难提取的TM模光子的发射增加有关。该现象不利于通信应用。针对这点，光子晶体、衬底背面粗化等一系列方法被提出。目前使用传统大尺寸UVC LED通信的最高速率高达2.4 Gb/s，最远距离可达125 m。

紫外光通信用Micro-LED

Micro-LED可以优化侧壁的光提取，并且它的尺寸小，主要受载流子寿命调控的调制带宽相对较高，因此十分利于光通信的应用。

自2019年，Strathclyde大学首次报道利用262 nm紫外Micro-LED通信阵列实现了1 Gb/s的通信速率以来，对于紫外Micro-LED中的高注入电流密度、波长蓝移和半峰宽变窄等物理现象已被大量研究。目前紫外Micro-LED主要研究方向是器件的制备工艺，基本物理现象，及其对通信、显示方面应用技术提升三个方面。

对通信应用，Strcthclyde大学Daniel M. Maclure团队报道的285 nm波长Micro-LEDs通信阵列芯片分别在10 m和116 m距离上实现了6.5 Gb/s和>1 Gb/s的通信速率，这是目前使用紫外Micro-LED实现的最远距离和速率。

图2 （a）用于紫外光通信的Micro-LED阵列的电极部分，（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将同样MQWs结构的紫外LED（或者Micro-LED）和紫外探测器（PD）通过耦合波导连接，利用发光-检测现象进行片上的紫外光通信，实现光互联的技术。这种技术充分利用了高Al组分MQWs发射的横向传播TM模光子。

2022年，中国科学院半导体研究所魏同波团队报道的274 nm LED和自驱动PD、波导的片上集成，在片上通信实验中实现600 μm距离1MHz的通信带宽。自驱动PD表现出127/131 ns的上升/下降响应时间是目前报道的自驱动PD最高性能。

图3（a）由S1-LED加载的发射信号，由S1-PD捕获的接收信号，（b）从S1-PD上得到的接收信号拟合得出的上升/下降时间，（c）在1MHz下测量的通信眼图

总结与展望

目前，市场量产UVC LED的研究方向集中在电光转化效率（WPED）和光提取效率优化方面，可量产的芯片的光提取效率从6%~12%向25%提升，WPE由3%向6%提升。量产产品性能提升面临的挑战来自于外延、芯片及封装领域，包括提升材料质量、优化封装材料、改善欧姆接触和降低生产成本等。

目前，部分实验室制备器件的WPE可达6%~10%，预计2026年可突破15%。将紫外LED和自驱动PD集成有望实现多功能系统，如实时检测光强的通信、照明芯片等，但目前相应研究处于发展阶段。

大力发展Micro-LED是改善芯片光提取效率差、亮度低的有效方案。目前，对它的研究集中在器件物理领域，验证了其在提升LED性能方面的潜力，但性能仍与可见光Micro-LED有很大差距。后续应改善其制备工艺，兼顾成本和可靠性，以期实现它在商用领域的高水平应用。

论文信息

郭春辉,孙雪娇,郭凯,张晓娜,王兵,魏同波,王申,苏晋荣,闫建昌,刘乃鑫*.紫外光通信用日盲型LED研究进展[J],发光学报,2023,44(10):1850-1861. DOI: 10.37188/CJL.20230099.

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

通讯作者简介

刘乃鑫，中国科学院半导体研究所助理研究员，2009年于中国科学院研究生院获得博士学位，主要从事宽禁带氮化物半导体材料外延生长及其发光器件制备工艺等相关研究。

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