中国科学院半导体研究所刘乃鑫博士等在《发光学报》发表了题为“紫外光通信用日盲型LED研究进展”的综述文章，重点介绍了2019年以来报道的UVC Micro-LED研究成果，一起来看！

图1：倒装紫外LED结构

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。

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。

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