郭春輝，孫雪嬌，郭 凱，張曉娜，王 兵，，魏同波，王 申，蘇晉榮，閆建昌，，劉乃鑫，*

（1. 山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030000；2. 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 半導(dǎo)體照明研發(fā)中心，北京 100083；3. 山西中科潞安紫外光電科技有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

1 引 言

紫外光無(wú)線通信（Ultraviolet optical wireless communication，UVOWC）通常是指用波長(zhǎng)為200 ~280 nm 范圍的“日盲區(qū)”UVC（Ultraviolet-C）波段，利用大氣當(dāng)中的分子、氣溶膠等微粒的散射作用進(jìn)行無(wú)線通信的技術(shù)。它利用UVC 波段在大氣中背景噪聲低的性質(zhì)，具有防竊聽、抗干擾、非視距（Non-line-of-sight，NLOS）等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于衛(wèi)星、戰(zhàn)術(shù)等通信場(chǎng)景[1]。自由空間紫外光通信的相關(guān)研究集中在發(fā)送光源和接收探測(cè)器的制備、光信號(hào)的調(diào)制編碼、對(duì)信道環(huán)境的建模分析、分集接收技術(shù)及多跳通信網(wǎng)絡(luò)等性能提升方法領(lǐng)域[2]，但由于日盲區(qū)紫外光的信道環(huán)境復(fù)雜、光源性能較差及光子吸收和散射嚴(yán)重等原因，如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離紫外通信成為目前亟需解決的難題之一。

紫外光源是紫外光通信技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的紫外光源包括氙閃光管、低壓汞燈、紫外激光器等，這些光源大多笨重、效率低、帶寬窄，不適合作為通信光源[3-5]。而半導(dǎo)體UVC 發(fā)光二極管（Light emitting diode，LED）體積小、成本低、帶寬高，它極大地推動(dòng)了紫外通信技術(shù)的發(fā)展。自2000 年以來(lái)，美國(guó)、中國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)在紫外通訊方面投入了大量科研人力物力[2,6-8]。

典型的倒裝UVC LED 異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)是使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上依次生長(zhǎng)AlN 緩沖層、AlGaN 超晶格層、N 型AlGaN 層、有源區(qū)、電子阻擋層、P-AlGaN 層和P-GaN 層。有源區(qū)包括幾個(gè)周期極薄的低Al 組分AlGaN 量子阱，其通過(guò)高Al 組分的AlGaN 量子壘分離，通過(guò)調(diào)整Al 組分可使發(fā)射波長(zhǎng)在200~365 nm 連續(xù)調(diào)節(jié)。

傳統(tǒng)倒裝UVC LED 的工藝復(fù)雜，通常有：清洗，臺(tái)面（Mesa）的光刻與刻蝕，N 與P 接觸電極區(qū)域的光刻與刻蝕，N 和P 歐姆接觸金屬的蒸鍍、剝離和退火，覆蓋（Cover）金屬的蒸鍍與剝離，鈍化層沉積、光刻與刻蝕，PAD 電極的光刻、刻蝕、蒸鍍與剝離等。還需要進(jìn)行測(cè)試，如傳輸線模型測(cè)試、芯片片上測(cè)試（Chip on wafer，COW）、目檢等。

本文簡(jiǎn)要介紹了紫外光通信光源發(fā)展及LED制備的基本工藝；回顧了傳統(tǒng)的大尺寸LED 光源在紫外光通信系統(tǒng)中的使用及其在使用過(guò)程中出現(xiàn)的難題；重點(diǎn)介紹了UVC Micro-LED 的關(guān)鍵技術(shù)研究，包括相對(duì)傳統(tǒng)LED 的性能提升、Micro-LED 特性的物理機(jī)制及其在紫外光通信中的應(yīng)用；最后對(duì)紫外Micro-LED 在片上光互聯(lián)及自由空間通信方面的研究和應(yīng)用進(jìn)行了介紹。紫外光互聯(lián)相比可見光或傳統(tǒng)的導(dǎo)線互聯(lián)有很大優(yōu)勢(shì)，不僅可用作片上通信，還可以用多功能系統(tǒng)形式進(jìn)行自由空間光通信。圖1 是典型的紫外LED 結(jié)構(gòu)及其通信系統(tǒng)模型與測(cè)試平臺(tái)。

圖1 用于紫外光通信的傳統(tǒng)LED 的典型結(jié)構(gòu)（a）、典型UVC 通信配置類型（b）、測(cè)量通信性能的實(shí)驗(yàn)裝置（c）、通信系統(tǒng)的組成模型（d）。Fig. 1 （a）Typical structure of a conventional LED for UV communication. （b）Typical configurations for UVC communication.（c）Experimental setup for measuring communication performance and the UVC LED. （d）Communication system model.

2 紫外光通信用傳統(tǒng)LED

紫外光源的輸出光功率和帶寬是限制通信系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。光源的輸出光功率（Light output power，LOP）基本決定了通信距離并且與外量子效率（External quantum efficiency, EQE）直接相關(guān)。外量子效率是指注入器件的電荷載流子轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED 發(fā)射的UVC 光子的百分比，可以通過(guò)內(nèi)量子效率乘以光提取效率來(lái)計(jì)算[9]。常規(guī)UVC LED 的EQE 在1% ~ 3%范圍內(nèi)，發(fā)光強(qiáng)度在毫瓦級(jí)。在光通信中，光源的帶寬決定了光通信的信道容量。LED 的帶寬主要由RC 時(shí)間常數(shù)[10]和載流子壽命決定，與尺寸有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性[11]。

較差光提取效率（Light extraction efficiency，LEE）是UVC LED 的EQE 較低的主要因素之一[12]。文獻(xiàn)報(bào)道中可以提升LEE 的方法有很多，比如采用高反射光子晶體[13]、反射電極[14]、制備網(wǎng)狀PGaN∕氧化銦錫電流擴(kuò)展層以及用納米多孔模板作為外延材料[15]等。傳統(tǒng)LED 進(jìn)行光通信的相關(guān)研究總結(jié)見表1。

表1 紫外光通信用傳統(tǒng)LED 的性能Tab.1 Performance of conventional LEDs for UVOWC

2020 年，OOI 團(tuán) 隊(duì) 使 用 商 用278 nm UVC LED，采用概率整形DMT（Probabilistacally shaped discrete multione, DMT）調(diào)制方法分別在1 m 和5 m 的距離下驗(yàn)證了LOS 視距通信，速率分別為2.4 Gbps 和2.0 Gbps，是目前文獻(xiàn)中商用紫外LED 的最高通信速率。該團(tuán)隊(duì)還采用分集接收技術(shù)，在1×2 SIMO 散射LOS 鏈路上（±9°）上傳輸速率均大于0.26 Gbps（0°時(shí)為1.09 Gbps）。驗(yàn)證了單輸入多輸出系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于單輸入單輸出系統(tǒng)，同時(shí)該系統(tǒng)也可以減輕有霧天氣引起的信道衰落現(xiàn)象[28]。然而，受限于LED 性能，通信能力進(jìn)一步提升存在困難。

針對(duì)傳統(tǒng)紫外LED 的LEE 小、帶寬小、光功率較低和電流擁擠等不利于光通信應(yīng)用的特點(diǎn)，根據(jù)Yu 等的仿真研究可以發(fā)現(xiàn)采用較小的Mesa尺寸可以改善側(cè)壁發(fā)光[29]和電流擴(kuò)展性，相比大面積LED，小尺寸LED 的效率有顯著提升。因此有必要進(jìn)一步研究這種提升機(jī)制，更多的科研人員開始著眼于Micro-LED 的工藝制備及性能改善的相關(guān)研究。

3 紫外光通信用Micro-LED

Micro-LED 或μLED 是指芯片發(fā)射區(qū)Mesa 尺寸在1~100 μm 的LED 器件，它的軸向?qū)討?yīng)變小、光提取較高、電流分布均勻、散熱快、載流子壽命短和RC 時(shí)間常數(shù)小，在實(shí)現(xiàn)高亮度的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)高帶寬[30]。用這種工藝制作的可見光[31]和紫外光通信光源近年多有報(bào)道。

3.1 紫外Micro-LED 研究進(jìn)展

目前，關(guān)于紫外Micro-LED 的研究主要有兩個(gè)方面。首先，探究小尺寸Mesa 的Micro-LED 效率改善現(xiàn)象的尺寸依賴性的物理機(jī)制和理論基礎(chǔ)，比如熱阻效率、減弱載流子局域化等。其次，探索高效率Micro-LED 及陣列的物理機(jī)制，比如波長(zhǎng)紅移現(xiàn)象、大注入下亮度降低等。

2019 年，格拉斯哥大學(xué)顧而丹團(tuán)隊(duì)制作了像素面積為566 μm2的主發(fā)射波長(zhǎng)為262 nm 的紫外通信用Micro-LED 陣列，并且研究了單個(gè)Micro-LED 像素的電-光特性，圖2 是該研究中涉及到的器件結(jié)構(gòu)、工藝、電光特性曲線和通信參數(shù)。該研究發(fā)現(xiàn)，首先，單個(gè)Micro-LED 像素的工作電壓在注入1 mA 電流時(shí)為13 V，電壓較高的原因是歐姆接觸的電阻率較高。其次，LED 由于大注入電流下的載流子局域化和產(chǎn)生的熱量使內(nèi)量子效率降低，是導(dǎo)致大電流密度下出現(xiàn)亮度隨著注入電流的增加而減小的現(xiàn)象的一個(gè)原因，單個(gè)Micro-LED 像素在3 400 A∕cm2的注入電流密度下實(shí)現(xiàn)的最大亮度為35 W∕cm2。在電光調(diào)制性能方面，研究發(fā)現(xiàn)LED 的帶寬會(huì)隨著注入電流的密度增加而增加，在71 A∕cm2條件下帶寬于438 MHz 處飽和，因?yàn)樗玫墓怆娞綔y(cè)器（APD）的截止頻率接近450 MHz，最終沒(méi)有測(cè)量出LED 的極限帶寬[32]。該工作LOP<1 mW 且WPE<1%，不能夠滿足較長(zhǎng)距離的光通信要求[33]。盡管如此，它是首例采用紫外UVC Micro-LED 制備光通信芯片的研究，并對(duì)物理學(xué)機(jī)制如亮度的下降現(xiàn)象等進(jìn)行了初步的探索。

圖2 （a）GLA 報(bào)道的15 個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)為262 nm 的Micro-LEDs 的外延結(jié)構(gòu)；（b）用于光通信的陣列照片；（c）OOK 調(diào)制下的800 Mbps 通信所得眼圖；（d）單個(gè)微像素（Micropixel）的J-V 與LOP-J 曲線，插圖為其在1 768 A∕cm2下的電致發(fā)光光譜［3］；（e）用于波分復(fù)用實(shí)驗(yàn)的UVB 器件結(jié)構(gòu)［4］；（f）-3 dB 帶寬作為注入電流密度的函數(shù)圖；（g）器件點(diǎn)亮圖［3］。Fig.2 （a）GLA reported the expitaxial structure of Micro-LED. （b）Optical communication LED array. （c）Communication experiment under the OOK modulation of 800 Mbps get eye diagram. （d）J-V and LOP-J curve of micropixel and its illustration is the EL spectral in 1 768 A∕cm2. （e）UVB device structure for the wavelength division multiplexing experiment［4］. （f）-3 dB bandwidth as a function of the injected current density. （g）Light photography of the individual Micro-LED［3］.

圖3 （a）北京大學(xué)報(bào)道的像素尺寸為25，50，100，200 μm 的μLED 陣列光學(xué)顯微圖像；（b）四種芯片在大電流密度下的EL成像圖；（c）單獨(dú)成像的LOP和亮度的尺寸依賴性及四種芯片的LOP和WPE的電流密度依賴性；（d）電流為210，230，250 mA時(shí)的頻率相關(guān)調(diào)制帶寬；（e）在不同信號(hào)調(diào)制深度下誤比特率（Bit error tate，BER）與數(shù)據(jù)速率的關(guān)系［33］。Fig. 3 （a）Optical microscopic images of μLED arrays with pixel sizes of 25，50，100，200 μm reported by PKU. （b）The micro-EL mapping images at high current densities for four chips. （c）LOP and corresponding LOP density of the standalone-mesa device with various mesa sizes and the current density dependence of LOP and WPE for the four chips. （d）Frequency-dependent modulation bandwidth at currents of 210，230，250 mA. （e）BER versus data rate at different signal modulation depth［33］.

圖4 （a）單片集成器件的詳細(xì)制備工藝；（b）S1-LED 在20 mA 下的歸一化EL 光譜和片上S1-PD 的擬合吸收光譜；（c）S1-LED 上加載的發(fā)送信號(hào)和S1-PD 捕獲的接收信號(hào)；（d）用S1-PD 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的上升和衰減時(shí)間曲線；（e）片上光通信實(shí)驗(yàn)測(cè)得的眼圖，所用頻率為1 MHz［54］。Fig.4 （a）Fabrication processes of the monolithically integrated devices. （b）Normalized EL spectrum of S1-LED operated at 20 mA and fitted absorption spectrum of the on-chip S1-PD.（c）Transmitted signal loaded on S1-LED and received signal captured by S1-PD. （d）Rise and decay time constant curves fitted with the experimental data obtained form S1-PD. （e）Eye diagrams for on-chip light communication measured at 1 MHz［54］.

2020 年，該團(tuán)隊(duì)分析了減小Mesa 尺寸對(duì)UVC Micro-LED 的發(fā)射波長(zhǎng)、達(dá)到EQE 最大值時(shí)的電流密度和-3 dB 帶寬等參數(shù)的影響，并分析了產(chǎn)生這些現(xiàn)象的物理機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，隨著像素的尺寸從150 μm 減小到20 μm，-3 dB 帶寬從0.25 GHz 逐漸增加到0.55 GHz，展示出強(qiáng)烈的尺寸依賴性；由于刻蝕側(cè)壁引入的晶格缺陷和大注入電流共同作用，肖克利-里德-霍爾復(fù)合與俄歇復(fù)合增加，導(dǎo)致EQE 發(fā)生droop 效應(yīng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的注入電流密度增加。對(duì)于激發(fā)波長(zhǎng)，由于產(chǎn)熱和能帶填充效應(yīng)的疊加作用，所有LED 的發(fā)射波長(zhǎng)會(huì)隨著注入電流增加而發(fā)生紅移，隨著LED 尺寸從80 μm 縮小到20 μm，這種紅移量逐漸增加。隨著單個(gè)LED 尺寸從20 μm 增加到200 μm，LOP的峰值從0.1 mW 增加到1.6 mW，反映出在大注入條件下，紫外LED 的峰值光功率和尺寸之間存在正向關(guān)聯(lián)[34]。

隨后，南卡羅萊納大學(xué)Floyd 團(tuán)隊(duì)報(bào)道了Al-GaN 基Micro-LED 陣列的光-熱特性與Mesa 尺寸之間的關(guān)系。報(bào)道中采用了原子層沉積技術(shù)生長(zhǎng)Al2O 作為P、N 電極鈍化層，并使用雙層互聯(lián)技術(shù)，將單個(gè)Micro-LED 像素互聯(lián)成發(fā)光陣列。隨著Micro-LED 尺寸的減小，同樣注入電流密度下，芯片的產(chǎn)熱減少，亮度更大，因此在更大的電流密度下實(shí)現(xiàn)了更大的峰值亮度。比如在10.2 kA∕cm2下，Mesa 半 徑5 μm 像 素 的 亮 度 高 達(dá)291 W∕cm2，是90 μm 器件的30 倍。文獻(xiàn)中還提到，隨著Micro-LED 陣列的像素尺寸減小，每個(gè)像素的熱阻顯著減小，散熱性能增強(qiáng)；但對(duì)于單個(gè)器件尺寸為5 μm 的陣列來(lái)說(shuō)，進(jìn)一步通過(guò)減小像素尺寸已經(jīng)對(duì)熱阻的量級(jí)不產(chǎn)生顯著影響。總之，對(duì)于同樣發(fā)射面積的Micro-LED 陣列，像素尺寸越小，陣列的工作電壓越小，整體并聯(lián)微分電阻越小，在同樣注入電流密度下相應(yīng)地光提取效率越好，電光轉(zhuǎn)化效率（Wall-plug efficiency，WPE）越大。因此，理 想 像 素Mesa 尺 寸 在5 ~ 10 μm 范 圍 內(nèi)[35]。但該工作沒(méi)有繼續(xù)研究不同的幾何結(jié)構(gòu)是否會(huì)對(duì)器件的物理性能產(chǎn)生影響[36]。

日本東北大學(xué)Kojima 探尋了由藍(lán)寶石襯底的鄰位角不同引起的AlGaN 量子阱Mirco-LED 的內(nèi)量子效率（Internal quantum efficiency，IQE）和帶寬不同的機(jī)制。研究表明，LED 的帶寬主要是RC時(shí)間常數(shù)決定，不是載流子復(fù)合壽命決定的；具有0.3°鄰位角的襯底的Micro-LED 比1°鄰位角對(duì)照物的IQE 更大，電容更小。這是因?yàn)樾∴徫唤堑乃{(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的量子阱有許多低電阻率的富Ga 微路徑，注入電流優(yōu)先通過(guò)這些微路徑，更有可能發(fā)生輻射復(fù)合。這時(shí)的LED 可以看成是由1 μm 尺寸的自組裝Micro-LED 并聯(lián)形成。微路徑的存在降低了并聯(lián)電容和電阻效應(yīng)并提升了帶寬[11]。

2021 年，F(xiàn)loyd 研 究 了 分 別 使 用Al2O3∕Al 覆 蓋垂直側(cè)壁和傾斜側(cè)壁的兩種工藝對(duì)Micro-LED 的光提取效率的影響。一方面，比較均覆蓋著散熱層的器件，研究發(fā)現(xiàn)傾斜側(cè)壁的Micro-LED 比垂直側(cè)壁的Micro-LED 具有更高的LEE。傾斜側(cè)壁器 件 的LEE 隨Mesa 尺寸從90 μm 減小到5 μm 逐漸增強(qiáng)，這歸因于材料的橫向吸收長(zhǎng)度較短（<20 μm），更多的橫磁（Transverse magnetic, TM）極化光子發(fā)射能在被半導(dǎo)體橫向材料吸收之前已被提取。另一方面，控制側(cè)壁傾角不變，蓋有Al2O3∕Al層的器件相比裸露側(cè)壁的器件，側(cè)壁的反射率更低，不利于光提取但有益于散熱，即部分犧牲了EQE 但提升了WPE[37]。該研究對(duì)Micro-LED 陣列的性能增強(qiáng)機(jī)理仍需探索，也需要對(duì)每個(gè)像素及陣列中的光學(xué)傳播進(jìn)行系統(tǒng)研究[38]。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫海定團(tuán)隊(duì)使用主發(fā)射波長(zhǎng)為280 nm 的Micro-LED 研究了不同側(cè)壁角度對(duì)光提取的影響。研究表明，小的側(cè)壁角（33°）將導(dǎo)致更多從有源區(qū)發(fā)射的光被側(cè)壁向藍(lán)寶石襯底側(cè)反射。橫向傳播的TM 光子朝襯底的引導(dǎo)被增強(qiáng)，是傾斜側(cè)壁引起LEE 改善的機(jī)制。時(shí)域有限差分仿真得到最適宜的側(cè)壁角在25°~ 35°范圍[36]。隨后，該團(tuán)隊(duì)報(bào)道了275 nm AlGaN 基單顆Micro-LED 的光電特性的尺寸依賴性。隨著單個(gè)像素尺寸的減小，漏電流增加、EQE 小幅增加，微分串聯(lián)電阻近似正比于Mesa 的直徑D的-2 次方，D越小，單個(gè)像素的串聯(lián)電阻越大。同時(shí)觀察到，隨著單個(gè)像素尺寸減小，相同偏置電流下，EL 發(fā)射波長(zhǎng)的紅移量增加。這與尺寸減小時(shí)的熱功率密度增加有關(guān)，當(dāng)使用脈沖電流激勵(lì)，紅移現(xiàn)象消失。在大電流密度下，較小的Micro-LED 中可以觀察到半峰寬（FWHM）因熱輻射效應(yīng)而產(chǎn)生明顯拓寬現(xiàn)象[38]。

2022 年，北京大學(xué)王新強(qiáng)團(tuán)隊(duì)使用25 μm Mesa 尺寸的Micro-LED 實(shí)現(xiàn)了400 W∕cm2的亮度，并組成16×16 的陣列，研究了相同發(fā)光面積、不同像素尺寸μLED 陣列的電光特性隨Mesa 尺寸減小的變化。首先，亮度隨Mesa 尺寸增加而減小，呈現(xiàn)出與Mesa 面積成反比的趨勢(shì)。因?yàn)樾〕叽鏜esa 應(yīng)變弛豫，引起每個(gè)像素的多量子阱的量子限制Stark 效應(yīng)減弱[39]。因此在相同注入電流密度下，單顆Mesa 尺寸越小，發(fā)射波長(zhǎng)藍(lán)移量越大。 當(dāng)像素尺寸大于25 μm 時(shí)，電流擁擠和自熱效應(yīng)[40]較為明顯，因此最適宜的Mesa 尺寸小于25 μm[33]。

同年，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所魏同波團(tuán)隊(duì)探究了主發(fā)射波長(zhǎng)為275 nm 的AlGaN 基Micro-LED 陣列的帶寬隨器件Mesa 尺寸的變化。研究發(fā)現(xiàn)，在同樣電流注入水平，和相同發(fā)光面積的傳統(tǒng)LED 器件相比，Micro-LED 陣列的主發(fā)射波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生藍(lán)移，半波寬也會(huì)變窄，這是應(yīng)變的弛豫和散熱的改善引起的變化[41]。

同年，中國(guó)香港科技大學(xué)郭海成團(tuán)隊(duì)利用電感耦合等離子刻蝕（Inductively coupled plasma，ICP）和混合化學(xué)處理兩種工藝制作了發(fā)射波長(zhǎng)在269 nm 的Micro-LED。研究表明，在ICP 刻蝕后使用四甲基氫氧化銨（Tetramethylammonium hydroxide，TMAH）溶液適當(dāng)處理將修復(fù)側(cè)壁損傷，可以提升輻射復(fù)合效率，有利于提升器件IQE。采用ICP 和TMAH 循環(huán)的方法對(duì)器件側(cè)壁出光面做納米尺度粗化處理，有利于大幅提升側(cè)壁出光[42]。

同年，復(fù)旦大學(xué)田朋飛團(tuán)隊(duì)研究了Micro-LED 的EQE 改善機(jī)制?？偹苤?，LED 中效率下降的原因是不均勻的電流密度所加劇的載流子局域化、泄露、俄歇復(fù)合、過(guò)熱的共同作用。在>200 μm 的大尺寸LED 中，大注入下隨電流密度增加而原本就不均勻的俄歇復(fù)合加劇，這是器件效率下降的主要原因。實(shí)驗(yàn)表明，相比于大面積LED，更小尺寸的Micro-LED 有著更加均勻的電流擴(kuò)展和更加優(yōu)良的光提取性能，對(duì)出光效率的提升有關(guān)鍵作用[43]。目前報(bào)道的深紫外Micro-LED 及其陣列的電光性能總結(jié)于表2 中。

表2 已報(bào)道的深紫外Micro-LED 或陣列的電-光性能Tab.2 The reported photo-electric performance of deep UV Micro-LEDs or arrays

與相同面積的LED 芯片相比，隨著像素尺寸的 減 小，Micro-LED 陣 列 的WPE 和LEE 明 顯 增 加，由于大注入下的局部高電流密度和側(cè)壁損傷引起的非輻射復(fù)合減少，EQE 的提升不明顯。根據(jù)熱阻[35]、電流擁擠[43]、橫向光吸收[37]和側(cè)壁出光[45]的等約束條件，最適合的Mesa 尺寸<20 μm?？梢酝ㄟ^(guò)傾斜側(cè)壁[36]、淀積散熱層[35]、化學(xué)處理[42]和表面離子注入[46]來(lái)提升器件效率。在物理機(jī)制方面，在大電流注入下，增大電流密度而產(chǎn)生的熱而引起單個(gè)Micro-LED 的發(fā)射波長(zhǎng)紅移現(xiàn)象，可以通過(guò)脈沖激勵(lì)消除。盡管Micro-LED 也存在局部過(guò)度俄歇復(fù)合[42]但相同電流密度時(shí)，相比傳統(tǒng)LED電流擴(kuò)展性能，Micro-LED 更有優(yōu)勢(shì)。目前Micro-LED 的制備工藝仍不完善，對(duì)光刻精度、歐姆電極金屬體系、退火、側(cè)壁鈍化甚至外延片的質(zhì)量要求很高，研究人員仍需面臨重大挑戰(zhàn)。

3.2 紫外Micro-LED 的通信性能

目前用于通信的Micro-LED 的最高記錄是4.667 Gbps 的 通 訊 速 率[47]和17 m 的 有 效 通 訊距離[48]。

2022 年，北京大學(xué)王新強(qiáng)團(tuán)隊(duì)制備的25 μm像素Micro-LED 陣列是目前用于紫外光通信的最小尺寸陣列，測(cè)得的最高通信速率為0.97 Gbps，由于驅(qū)動(dòng)方式的限制，仍然保留了速率提升的巨大潛力[33]。同年，格拉斯哥大學(xué)顧而丹等對(duì)280 nm 波長(zhǎng)的Micro-LED 光通信芯片的偏置條件和數(shù)據(jù)編碼方案進(jìn)行了系統(tǒng)性的優(yōu)化，使用UV-C Micro-LED 達(dá)到最遠(yuǎn)17 m 的距離，同時(shí)保持大于4 Gb∕s 的無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)速率。這是目前基于Gb∕s UV-C LED 的OWC 的 最 遠(yuǎn) 通 信 距 離[48]。

目前來(lái)看，在自由空間光通信方面，相對(duì)于可見光通信芯片[31]，采用倒裝工藝制備紫外通信芯片[3]的研究報(bào)道較少，因此尋找合適的材料改良工藝是解決這種困境的辦法。但在片上通信方面，紫外光在激發(fā)沿橫向波導(dǎo)耦合TM 光子方面具有天然的優(yōu)勢(shì)，制備工藝與傳統(tǒng)工藝兼容，有巨大的應(yīng)用潛力。相關(guān)報(bào)道被總結(jié)在表3 中。

表3 紫外光通信用Micro-LED 通信性能參數(shù)Tab.3 Communication performance of the Micro-LEDs for UVOWC

4 紫外光通信的片上集成

光集成（Photonics integrated chips，PIC）具有減小系統(tǒng)尺寸、降低功率和成本的優(yōu)勢(shì)[49]。多量子阱二極管具有發(fā)光-檢測(cè)現(xiàn)象，十分適合作為光互聯(lián)器件用在可見光和紫外光波段的集成光電系統(tǒng)中，以減少電互聯(lián)引起的功耗和延遲。目前使用可見光[50]與紫外光集成器件進(jìn)行通信的實(shí)驗(yàn)已有報(bào)道。

2023 年，魏同波團(tuán)隊(duì)使用具有非對(duì)稱多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN 材料制造了有450 nm 波長(zhǎng)可見光LED、波導(dǎo)和光探測(cè)器（Photodetectors，PD）的單片集成芯片。使用這種非對(duì)稱外延結(jié)構(gòu)后，LED的EL 與PD 的響應(yīng)之間的光譜重疊增加了4.5倍，PD 的光暗電流比增加7 個(gè)數(shù)量級(jí)，增強(qiáng)了LED 與PD 間 的 光 連 接[51]。

由于環(huán)境光引入的背景噪聲和串?dāng)_難以避免，片上可見光通信將受到限制。并且，可見光LED 發(fā)射以主要沿垂直方向傳播的橫電（Transverse electric，TE）極化光子為主[52-53]，這對(duì)需要沿波導(dǎo)的橫向光耦合與傳播是不利的[54]。相比之下，對(duì)于發(fā)射波長(zhǎng)<280 nm 的UVC LED，光主要以橫向傳播的TM 極化[55]。因此，用UVC LED 做集成芯片有實(shí)現(xiàn)更高效通信的潛力[54]。

2018 年，名古屋大學(xué)Amano 報(bào)道了一種286 nm 多元件集成系統(tǒng)，其中兩個(gè)相同的多量子阱LED 與波導(dǎo)一起集成在單個(gè)芯片上。該系統(tǒng)兼容現(xiàn)有的LED 制備工藝，并且通過(guò)利用多量子阱結(jié)構(gòu)LED 的收發(fā)同時(shí)（Simultaneous emission-detection phenomenon）結(jié)構(gòu)，在兩個(gè)二極管之間建立光學(xué)鏈路。收發(fā)同時(shí)，即一個(gè)多量子阱二極管將電信息轉(zhuǎn)錄為要耦合到波導(dǎo)中的光信號(hào)，然后，被引導(dǎo)的光沿著波導(dǎo)傳播到另一個(gè)多量子阱二極管，該二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可以作為PD 使用，實(shí)現(xiàn)了50 Mbps 的光傳輸[56]。

2020 年，中國(guó)香港科技大學(xué)劉紀(jì)美團(tuán)隊(duì)基于Si 上生長(zhǎng)的P-GaN ∕AlGaN∕GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)，將高性能日盲區(qū)紫外檢測(cè)器[57]與360 nm 波長(zhǎng)的Micro-LED 進(jìn)行片上集成。在集成LED 工作下PD 具有1.5×106的高光暗電流比和0.41∕0.36 s 的上升∕下降時(shí)間，這項(xiàng)研究驗(yàn)證了單片集成LED 和PD 在Si基芯片上可實(shí)現(xiàn)片內(nèi)通信的能力[58]。

同年，F(xiàn)loyd 報(bào)道了一種UVC PIC，它由發(fā)光波長(zhǎng)為280 nm 、臺(tái)面尺寸為100 μm × 100 μm 的AlGaN 基Micro-LED、響應(yīng)波長(zhǎng)為250 nm 的PD、作為波導(dǎo)的1.5∕3.5 μm 厚的N-AlGaN∕AlN∕藍(lán)寶石介質(zhì)層三部分組成。雖然LED 發(fā)射和PD 的響應(yīng)波長(zhǎng)不同，但波譜具有足夠的重疊，可以支持百兆速率傳輸。結(jié)果顯示，LED 工作時(shí)，PD 接收到的光全部來(lái)自介質(zhì)波導(dǎo)層，其中N-AlGaN 層、AlN和藍(lán)寶石中分別占80%、7%和13%。波導(dǎo)中傳播衰減系數(shù)約為23 cm-1，這證明了波導(dǎo)可以有效限制并傳導(dǎo)紫外光信號(hào)。研究還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在晶片背面涂覆紫外線吸收材料可以有效減少信號(hào)間的串?dāng)_[59]。

2022 年，魏同波團(tuán)隊(duì)在一片AlGaN 多量子阱晶元上成功制備了集成有274 nm 波長(zhǎng)LED、光波導(dǎo)與光探測(cè)器三種器件的通訊芯片。文中解釋了相同多量子阱結(jié)構(gòu)的LED 與自驅(qū)動(dòng)PD的收發(fā)同時(shí)。相比較以往報(bào)道的氮化物紫外PD，該文章中報(bào)道的自驅(qū)動(dòng)PD 在片上通信實(shí)驗(yàn)中上升∕下降時(shí)間響應(yīng)為127∕131 ns，相鄰的光學(xué)串?dāng)_降低了70%，是目前報(bào)道UVC APD 的最高性能[54]。

相比較選擇性區(qū)域外延[58]，直接采用氮化物外延薄膜來(lái)制作單片集成系統(tǒng)更具潛力，是目前的重點(diǎn)研究方向之一[60]。表4 匯總了近期文獻(xiàn)報(bào)道的光集成芯片的性能。從表4 中可以看出，相比較自由空間紫外光通信，片上環(huán)境對(duì)傳輸距離的要求較低，但目前相關(guān)研究不多，物理機(jī)制還需進(jìn)一步探索。

表4 光集成芯片通信性能Tab.4 Communication performance of the PIC

5 結(jié)論與展望

商用UVC LED 的研究方向主要集中在WPE提升和LEE 優(yōu)化方面，目前可量產(chǎn)的芯片的LEE從6% ~12%向25%提升，WPE 由3% ~ 6%提升至10%。商用器件的主要發(fā)射波長(zhǎng)集中在260~280 nm 波段，壽命基本在5 000 h 以上。商用產(chǎn)品性能提升所面臨的挑戰(zhàn)來(lái)自于外延、芯片及封裝領(lǐng)域，包括提升材料質(zhì)量、優(yōu)化封裝材料、改善歐姆接觸等。

目前，部分實(shí)驗(yàn)室制備器件的WPE 可達(dá)6%~10%，預(yù)計(jì)2026 年可突破15%。總體來(lái)看，UVCLED 芯片WPE 提升可以在材料選擇、外延芯片工藝、獨(dú)特的封裝技術(shù)上進(jìn)行探索。

將紫外LED 和APD 集成有望實(shí)現(xiàn)多功能系統(tǒng)，如實(shí)時(shí)檢測(cè)光強(qiáng)的通信、照明芯片等，但目前該領(lǐng)域研究較少。大力發(fā)展Micro-LED 是改善目前芯片光提取效率差、亮度低的最有效方案之一。目前對(duì)于Micro-LED 的研究集中在物理機(jī)制領(lǐng)域，驗(yàn)證了它在提升紫外LED 性能方面的潛力[62]。后續(xù)應(yīng)改善其制備工藝，兼顧成本和可靠性，最終實(shí)現(xiàn)在商用領(lǐng)域的高水平應(yīng)用。

雖然目前受限于工藝發(fā)展水平，紫外光通信LED 芯片性能和可見光LED 尚有差距，但隨著研究的深入，高性能、高可靠性的UVC Micro-LED 的廣泛應(yīng)用指日可待！

本文專家審稿意見及作者回復(fù)內(nèi)容的下載地址：http:∕∕cjl. lightpublishing. cn∕thesisDetails#10.37188∕CJL.20230099.