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        中科潞安劉乃鑫 | 紫外光通信用深紫外LED光源

        • 分類:行業資訊
        • 作者:
        • 來源:
        • 發布時間:2023-12-22 14:13
        • 訪問量:

        【概要描述】

        中科潞安劉乃鑫 | 紫外光通信用深紫外LED光源

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        詳情
        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、中科潞安研發負責人劉乃鑫博士等在《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。

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