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走向基于氮化銦鎵Micro LED的光電探測器陣列

2019-12-30    

中國照明網報道

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導語: 中國復旦大學和加拿大多倫多大學一直在探索以光電二極管(PD)模式使用氮化銦鎵(InGaN)Micro LED陣列來實現多輸入,多輸出(MIMO)可見光通信( VLC)[劉小燕等人,ACS Photonics,在線發布于2019年10月31日]。研究小組認為,該技術可能導致顯示器,快速數據傳輸和光電探測器的集成,通過信號本身或通過太陽能照明以光電方式供電。

  中國復旦大學和加拿大多倫多大學一直在探索以光電二極管(PD)模式使用氮化銦鎵(InGaN)Micro LED陣列來實現多輸入,多輸出(MIMO)可見光通信( VLC)[劉小燕等人,ACS Photonics,在線發布于2019年10月31日]。研究小組認為,該技術可能導致顯示器,快速數據傳輸和光電探測器的集成,通過信號本身或通過太陽能照明以光電方式供電。

  研究人員評論說:“這樣的多功能Micro LED信息顯示器對于需要高速無線網絡和大量電力的應用非常有用,例如用于可穿戴虛擬現實/增強現實(VR / AR)設備以及戶外的信息顯示芯片大屏幕顯示?!?/p>

  VLC被視為一種無線通信技術,可以部署在飛機或醫院等射頻電磁干擾可能成問題的環境中。

  由于較小的寄生電阻和電容,預計Micro LED的小尺寸將導致更高的帶寬。盡管已經研究了單個Micro LED光電探測器,但研究人員報告說,迄今為止尚未提出此類設備的并行陣列結構。

  2x2 MIMO系統由405nm紫色激光二極管(LD)的傳輸組成,這些傳輸在1m的自由空間距離上傳輸到用作光電探測器的450nm藍色Micro LED結構上(圖1)。之所以使用激光二極管,是因為兩個信號源之間的串擾減少,光束發散角減小。使用透鏡系統準直激光。

  圖1:(a)Micro LED的示意圖,(b)MIMO VLC的設置,以及(c)實驗照片。

  研究人員使用在有圖案的藍寶石襯底上生長的商業金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)材料制造了他們的設備。感光區域是帶有GaN勢壘的氮化銦鎵(InGaN)多量子阱(MQW)。氮化鋁鎵(AlGaN)電子阻擋層包括在該結構中。使用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)施加二氧化硅(SiO 2)絕緣。鎳/金(Ni / Au)用于電流擴散。n接觸墊和p接觸墊由鈦/金(Ti / Au)組成。

  光電探測器的直徑在40μm和100μm之間變化。在零偏壓下,光/暗電流比或“光敏度”約為10 9。此高值是由于在10 -14 A的零偏壓下極低的暗電流引起的。激光二極管的功率密度高達11.0W / cm 2。

  器件偏置為-5V時,較小的器件的光/暗電流比為10 7,較大的器件為10 8。研究人員說,這些值與報道的最好結果相匹配,并且“比以前報道的具有光電導,PN或異質結結構的GaN光電探測器的值更高”。該團隊期望較高的值有益于設備的信噪比和最小檢測極限。

  當照度為11.0W / cm 2時,直徑為40μm的Micro LED的短路電流為27.4μA。對于100μm的直徑,這增加到188μA。開路電壓均為2.6V。這種光伏效應可用于為電路的其他部分供電。研究人員報告說,他們已經利用這種收集的能量為660nm激光二極管供電。該團隊發現將這種設置用于危險和惡劣環境中的系統的潛力。

  具有11.0W / cm 2激光功率密度的自供電Micro LED的響應度對于40μm直徑為0.24A / W,對于100μm為0.21A / W。直徑為60μm的Micro LED可獲得0.29A / W的響應。研究人員估計直徑40μm,60μm和100μm的Micro LED的量子效率分別為74%,88%和62%。

  在-5V時對器件進行偏置可得到0.27、0.31和0.24A / W的相應響應–量子效率分別為82%,96%和73%。研究人員將性能提高歸因于在反向偏壓下增強了電子和空穴的分離和收集。

  該團隊評論說:“在405nm的波長下,響應度值高于商用Si-PIN光電檢測器,并且比以前沒有內部光電流增益的基于GaN的光電檢測器略好?!?/p>

  零帶寬下,測量帶寬和噪聲對Micro LED-PD的影響的比探測系數約為10 13 Jones(cm-Hz 1/2 / W)– 直徑40μm時為7.5x10 12 Jones,而直徑為60μm時為1.5x10 13 Jones。由于暗電流增加,-5V偏壓的值有所降低–直徑40μm時為1.11x10 11 Jones,直徑為60μm時為2.3x10 12 Jones。

  對于高速通信,需要對照明變化的快速響應。較小的設備可能具有更快的上升和下降時間。在零偏壓下,對于直徑為40μm的Micro LED,響應11.7W / cm 2激光二極管照明的上升和下降時間分別為22.0ns和23.7ns。這些時間通過-5V反向偏置分別減少到13.2ns和13.7ns。

  研究人員解釋說:“與0V偏置相比,在-5V偏置下,光響應時間變短,這歸因于在反向偏置下載流子的漂移速度增加。

  實際上,直徑為60μm的Micro LED具有改善的上升/下降時間:零偏壓下為17.2n / 20.2ns,-5V下為12.2ns / 12.7ns。

  對于40μm,60μm和100μm器件,-5V反向偏置下的-3db電光調制帶寬分別為56.8、56.2和53.5MHz。這些值在零偏置時減小,對應值為40.3、41.2和38.6MHz。

  在開關鍵控(OOK)調制傳輸中,研究人員將100μm器件反向偏置為-5V,達到了每秒185兆位(Mbps)(圖2)。誤碼率(BER)為3.5x10 -3,比可能的前向糾錯(FEC)的3.8x10 -3上限低。

  圖2:(a)對于具有各種直徑的基于Micro LED的光電探測器,在-5V偏置下BER與數據速率的關系。黑色實線和黑色虛線分別代表-3dB帶寬和FEC閾值。對于60μm Micro LED的光電探測器,分別在-5V和0V偏置下以160(b)和100Mbps(c)的數據速率捕獲的眼圖。

  60μm器件在零偏置和3.6x10 -3 BER的情況下達到了120Mbps 。在-5V反向偏置下,相同的設備可實現175Mbps和3.7x10 -3 BER。研究人員評論說:“在擬議的2x2 MIMO VLC中,使用60μm Micro LED的光電探測器作為光接收器,可以實現350Mbps(在-5V偏置下)和240Mbps(在零偏置下)的理想實時數據速率?!?/p>

  應用縮放參數,該團隊建議使用10x10陣列可以達到18Gbps,而使用128x128設置可以達到每秒幾兆兆位。但是,該團隊警告說:“由于越來越多的陣列不可避免地會出現串擾和準直困難,因此在實際應用中實現對多Gbps傳輸的擴展面臨著巨大挑戰?!?/p>

編輯:嚴志祥

來源:行家說

標簽:氮化銦鎵  Micro  LED  光電探測器  

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