近日，來自中國的一個研究團隊在期刊上報告了一種將微型二極管像素(μLEDP, Micro-LED Pixels)和紅綠藍集成式超像素(RGBSP, RGB Super-Pixels)集成在一起的一體化微型發(fā)光二極管器件。據(jù)研究人員介紹，該器件的開發(fā)目標(biāo)是同時具有顯示和光學(xué)近場通信(ONFC, Optical Near-Field Communication)功能。
根據(jù)韓媒Semiconductor Today報道，“據(jù)我們所知，與其他基于多色、低電容、高寬帶LED器件的已發(fā)表結(jié)果相比，我們所設(shè)計的集成式μLEDP實現(xiàn)了最 高的數(shù)據(jù)傳輸速率，”來自該研究團隊的人員說道，該團隊由來自南方科技大學(xué)、香港科技大學(xué)及香港科技大學(xué)深港協(xié)同創(chuàng)新研究院的人員組成。
研究人員制造的RGBSP器件尺寸為100μmx200μm。在測試中，研究人員實現(xiàn)了從暖白到冷白的很寬的色溫調(diào)節(jié)，據(jù)此他們看到了這種μLEDP在普通照明應(yīng)用中的極大潛力。
如下圖1所示，研究人員通過金屬有機化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 技術(shù)在砷化鎵 (GaAs) 襯底上沉積了鋁鎵銦磷 (AlGaInP) 多量子阱(MQW)紅色超像素。然后，研究人員又進一步將該材料粘合到藍寶石基板上，并通過濕法蝕刻掉原來的襯底。
緊接著，研究人員結(jié)合二氧化硅(SiO2)硬掩模，使用電感耦合等離子體(ICP)蝕刻出該發(fā)光芯片的Mesa臺面。然后，他們在n-GaP層上方制作出芯片的陰極，該陰極由200nm的金/鍺/鎳 (Au/Ge/Ni)組成，相應(yīng)地，研究人員在p-GaP層上制作了由200nm金/鋅 (Au/Zn) 組成的陽極。此外，該芯片還使用等離子增強型CVD工藝沉積了600nm的鈍化層。
圖1. (a-f) AlGaInP 紅色超像素（上）和 InGaN綠/藍超像素（下）在所提一體化μLEDP 器件中的制造工藝流程
同樣過程，研究人員使用MOCVD技術(shù)在藍寶石襯底上方沉積出綠色和藍色超像素。同樣地，這些芯片地Mesa臺面也是使用ICP工藝蝕刻形成的。這之后，研究人員在p-GaN接觸材料上沉積一層10nm厚的Ni/Au層作為電流擴展層(CSL，Current Spreading Layer)。為了保證兩層之間通過歐姆接觸方式接觸，這一層還需要做經(jīng)受快速熱退火處理。正負(fù)電極由鈦/鋁/鈦/金(Ti/Al/Ti/Au)材料組成。
據(jù)介紹，上述μLEDP器件的組裝和封裝方法是：首先將焊料涂布到器件上，然后使用激光切割對晶圓進行分割。接著，研究人員將該RGBSP以50um間距和倒裝芯片鍵合方式轉(zhuǎn)移到一個具有共陽極設(shè)計地電路上。為了提高對比度，研究人員使用了黑色硅膠。該器件的最終尺寸為0.79mmx0.79mmx0.65mm，如圖2所示。
圖2：(a) μLEDP內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)的3D透視圖；(b) 該轉(zhuǎn)移芯片的顯微圖像
經(jīng)過測試，研究人員發(fā)現(xiàn)上述三種顏色子芯片器件對應(yīng)10-4A/cm2 電流密度的電壓分別為1.44、2.00和2.33V。該三種顏色子芯片器件的峰值光功率分別為1.86/2.08/4.33mW，對應(yīng)驅(qū)動電流分別為20/55/55mA。
該RGB子器件所發(fā)光的光譜峰值波長分別為640nm、515nm和463nm，對應(yīng)半峰全寬 (FWHM)分別為23nm、38nm和28nm。這些測量結(jié)果對應(yīng)的驅(qū)動電流分別為 30mA、55mA和55mA。
據(jù)測試，該RGB Micro-LED芯片組合的色域是NTSC標(biāo)準(zhǔn)的109%。除了顯示應(yīng)用外，該器件還可以滿足相關(guān)色溫 (CCT) 介于2831.7K和10016.8K之間的任何智能照明需求——從暖白到中性白，再到冷白。
從通信角度看，該器件在注入電流分別為45mA、70mA和75mA時，研究人員測量得出的 ONFC RGB帶寬分別為62MHz、58MHz和61MHz。據(jù)該團隊認(rèn)為，這些值對于實際的 ONNFC系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠了。
研究人員評論說：“由于不同基板對子像素芯片轉(zhuǎn)移的限制，這項研究中RGBSP的調(diào)制帶寬仍有進一步提升的空間。該RGBSP的大小是根據(jù)對顯示和通信鏈路性能的考慮選擇的。”
研究人員使用偽隨機二進制序列測試了該器件的誤碼率(BER，Bit-Error Rate)，結(jié)果顯示，在前向糾錯不超過3.8e-3前提下，該器件的數(shù)據(jù)傳輸速率分別高達220、170和195Mbits/s。在誤碼率為3. 10e-9時，數(shù)據(jù)速率分別為201/148/179Mb/s。
另外，研究人員還針對該器件建立了一個等效電路模型，以便研究人員在仿真過程中探索各種數(shù)據(jù)調(diào)制方案，例如不歸零(NRZ) 和4級脈沖幅度調(diào)制 (PAM-4)。目前，在這些模擬方案中，最大的數(shù)據(jù)傳輸速率分別可以達到0.3Gb/s和1.1Gb/s。
