DUV μLED在無線光通信領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

為慶祝河北工業(yè)大學(xué)校慶120周年，《紅外與激光工程》聯(lián)合河北工業(yè)大學(xué)共同出版“河北工業(yè)大學(xué)校慶專刊“，特邀請張紫輝教授團(tuán)隊撰寫“AlGaN基深紫外微型發(fā)光二極管的研究進(jìn)展” 文章，總結(jié)了深紫外μLED作為日盲紫外光通信光源的研究現(xiàn)狀和綜合分析尺寸效應(yīng)引起器件性能的變化及其機(jī)理，分析出低的光提取效率和嚴(yán)重的自熱效應(yīng)是影響深紫外μLED光功率的兩個主要因素。進(jìn)而綜述了各種提高深紫外μLED光提取效率和改善熱學(xué)特性的方法。

導(dǎo)讀

實現(xiàn)深紫外光通信的一個關(guān)鍵器件是深紫外光源。早期深紫外光源利用高壓汞燈實現(xiàn)，但汞燈的調(diào)制帶寬非常小，這嚴(yán)重影響了深紫光通信的傳輸速率。隨著 AlGaN 基深紫外發(fā)光二極管 (DUV LED) 的發(fā)展，其不僅在殺菌消毒領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在日盲紫外光通信領(lǐng)域的應(yīng)用也受到越來越多的關(guān)注。與汞燈相比，深紫外LED具有功耗低、設(shè)計靈活且調(diào)制帶寬高的優(yōu)勢。其帶寬嚴(yán)重依賴于器件尺寸，器件尺寸越小，帶寬越高。但是隨著深紫外微型發(fā)光二極管(μLED)的尺寸減少，盡管其帶寬得到提高，但是其光功率卻急劇下降，這嚴(yán)重限制了深紫外μLED在光通信中的應(yīng)用。本文主要總結(jié)了深紫外μLED作為日盲紫外光通信光源的研究現(xiàn)狀和綜合分析尺寸效應(yīng)引起器件性能的變化及其機(jī)理；并總結(jié)分析出低的光提取效率和嚴(yán)重的自熱效應(yīng)是影響深紫外μLED光功率的兩個主要因素。進(jìn)而總結(jié)了各種提高深紫外μLED光提取效率和改善熱學(xué)特性的方法。

研究背景

無線光通信是依靠光輻射來傳遞信息，光的波長可以從紅外到深紫外。而與長波長光通信相比，深紫外光通信具有許多優(yōu)點。首先，在室內(nèi)外進(jìn)行的深紫外光無線通信的背景噪聲可以忽略不計，紫外光通信的信噪比遠(yuǎn)高于長波長光通信；第二，由于紫外光在空氣中的散射較強(qiáng)，紫外光通信無需具備一系列對準(zhǔn)、跟蹤和捕獲等復(fù)雜路線設(shè)計，其能夠以散射的方式直接實現(xiàn)非直視(NLOS)通信。此外，深紫外光的輻射功率隨傳輸距離呈指數(shù)衰減，限制了信號傳播，信號難以被遠(yuǎn)距離監(jiān)聽和截獲。深紫外光通信在光通信，尤其是保密通信方面的發(fā)展?jié)摿Ψ浅４蟆?深紫外LED的高調(diào)制帶寬、低功耗及設(shè)計靈活的特性使其在深紫外光通信領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。目前，基于DUV μLED進(jìn)行的無線光通信的研究中，紫外通信的帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)達(dá)到了前所未有的水平，調(diào)制帶寬最大可達(dá)960 MHZ。DUV μLED的運(yùn)用提高了帶寬，但由于紫外光功率在大氣中的快速衰減，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸范圍較遠(yuǎn)時，傳輸速率會下降。因此保證大的調(diào)制帶寬的同時提高深紫外μLED的光輸出功率，是DUV μLED光通信系統(tǒng)獲得高速傳播的關(guān)鍵。當(dāng)深紫外LED尺寸變小時，會使調(diào)制帶寬變大，但是其有源區(qū)面積的減少也導(dǎo)致相同電流密度下光功率急劇下降。而低的發(fā)光效率，帶來了自發(fā)熱效應(yīng)嚴(yán)重，在大注入電流下存在嚴(yán)重的由于熱而引起的功率下降。這將導(dǎo)致器件無法工作在大的注入電流下，從而無法實現(xiàn)單芯片高功率的輸出。因此，本文系統(tǒng)回顧了深紫外μLED在日盲光通信里面的應(yīng)用和當(dāng)今發(fā)展的現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了尺寸效應(yīng)對深紫外μLED在光電熱等方面的影響及物理機(jī)制，并對提高μLED的光提取效率與散熱的幾種方法進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

主要內(nèi)容

尺寸會嚴(yán)重影響μLED的調(diào)制帶寬。由于μLED比大尺寸LED的尺寸減少，且整體表面積-體積比增加，因此μLED具有較低的電容、較好的散熱效應(yīng)和良好的電流擴(kuò)展，所以μLED可以承受更高的電流密度。從而縮短載流子復(fù)合壽命，因此小尺寸μLED獲得更高的調(diào)制帶寬。其次，μLED尺寸嚴(yán)重影響芯片的IV特性曲線。隨著芯片整體直徑(D)減小從而導(dǎo)致串聯(lián)電阻增加，串聯(lián)電阻近似與D-2成正比。即相同工作電流下，小尺寸的芯片工作電壓急劇升高。但是考慮電流密度的話，在相同工作電壓下，小尺寸的器件電流密度更大，這是由于器件整體面積減小的原因，如圖1(a)和(b)所示。另外 ，LED器件的漏電流具有尺寸依賴性。隨著芯片尺寸的減少，刻蝕臺面而引起的側(cè)壁缺陷所占有的整個芯片的面積將急劇增加，如圖1(c)所示。由于臺面邊緣的側(cè)壁缺陷會作為漏電流通道，并且引起嚴(yán)重的非輻射復(fù)合，所以臺面尺寸較小的LED的漏電流較大。因此，與大尺寸LED器件不同，由側(cè)壁缺陷引起的表面非輻射復(fù)合是μLED的不可忽略的影響因素。另外，隨著μLED的芯片尺寸減小，其光提取效率(LEE)能得到有效提升。這是由于更小的芯片尺寸能使光更快逃離，從而減少被芯片內(nèi)部吸收材料的吸收概率。具有傾斜側(cè)壁結(jié)構(gòu)的器件尺寸減小，使更多橫向傳輸?shù)墓庾邮紫鹊诌_(dá)到傾斜側(cè)壁而不是AlGaN與藍(lán)寶石的界面，從而使更多的光子被傾斜側(cè)壁散射到逃離錐里面，有效提高了光提取效率。另外，芯片尺寸對于光功率有非常重要的影響。隨著芯片尺寸的減小，在相同工作電流密度下，小尺寸器件整體的光功率比大尺寸器件要小。盡管尺寸減小，其光提取效率得到提升，但是小尺寸芯片好的電流擴(kuò)展和高的側(cè)壁缺陷面積比，導(dǎo)致側(cè)壁缺陷引起的非輻射復(fù)合增加更大，從而使整體的光功率下降。但由于小尺寸器件面積更小，電流擴(kuò)展效應(yīng)更好的原因，它能承受更高的電流密度，有較高的光功率密度。除此之外，DUV μLED需要工作在高的工作電流密度下，且串聯(lián)電阻在高電流密度下會產(chǎn)生更多的焦耳熱，從而引起μLED效率的熱衰減。提高DUV μLED中高電流密度下的光功率，關(guān)鍵是提高光提取效率與解決器件的散熱問題，緩解材料光吸收發(fā)熱和串聯(lián)電阻發(fā)熱等自熱效應(yīng)，同時提高芯片散熱特性，這對提升DUV μLED的最大光功率有著至關(guān)重要的作用。 圖1 (a) I–V特性曲線的尺寸依賴性；(b)相同電壓下電流密度的尺寸依賴性；(c)有側(cè)壁損傷的LED A、B、C的示意結(jié)構(gòu)。LED A、B和C的可用面積比分別為85%、75%和36%。 光提取效率是限制DUV μLED光學(xué)性能主要限制因素之一。本文主要綜述利用n或者pAlGaN的表面結(jié)構(gòu)，傾斜側(cè)壁結(jié)構(gòu)及反射鏡的設(shè)計這三方面增加光提取效率的有效方法。另外，本文綜述了改善μLED器件熱性能的方法，包括降低DUV μLED器件的串聯(lián)電阻，提高金屬電極的反射率以及利用陣列結(jié)構(gòu)增加芯片的側(cè)壁面積等方法提高散熱。 圖2 (a)四種不同結(jié)構(gòu)的DUV LED結(jié)構(gòu)圖；(b)器件1；(c)器件2；(d)器件3的TM光截面電場分布及光傳播路徑圖 ? ?

結(jié)論與展望

本文工作系統(tǒng)綜述了DUV μLED在無線光通信領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，分析器件尺寸效應(yīng)引起DUV μLED的調(diào)制特性，光提取效率，電流電壓特性，光功率特性及側(cè)壁缺陷比例變化特性及其物理機(jī)制。隨著器件尺寸的減小，電流擴(kuò)展效應(yīng)會變的更好，可承受的電流密度增加，光功率密度也會增加。并且由于電流密度的增加，載流子復(fù)合壽命會縮短，從而提高在無線光通信應(yīng)用中的調(diào)制帶寬。但在大電流密度工作下的μLED熱效應(yīng)加劇，且臺面面積變小也加大了器件的串聯(lián)電阻。將μLED設(shè)計成合理的DUV μLED陣列結(jié)構(gòu)會加大整體臺面面積，降低串聯(lián)電阻，提高散熱能力以及光輸出功率，但是并聯(lián)的深紫外μLED陣列結(jié)構(gòu)明顯是又增加了整體器件的電容，并不能完全發(fā)揮μLED高的調(diào)整帶寬的特性。采取μLED串聯(lián)形式能有效的保留高的調(diào)制帶寬，但自熱效應(yīng)會較高，效率熱下降嚴(yán)重，無法實現(xiàn)輸出光功率最大化。因此最重要的是提高單個DUV μLED的性能，提高LEE，減少光吸收產(chǎn)生的熱量，改善動態(tài)電阻，同時增加散熱。在器件側(cè)壁沉積鈍化層和金屬會起到散熱作用。此外，與傳統(tǒng)尺寸DUV LED相比，μLED側(cè)壁缺陷是不可忽略的。隨著尺寸的減小，μLED側(cè)壁缺陷會更加嚴(yán)重，導(dǎo)致嚴(yán)重的非輻射復(fù)合，降低μLED效率。目前通過鈍化層和化學(xué)處理等方法來抑制側(cè)壁缺陷，并通過控制電流擴(kuò)展來抑制側(cè)壁缺陷引起的非輻射復(fù)合，提升μLED的效率。但在提高器件光提取效率和散熱性的研究方面，仍需要投入大量的研究精力。

審核編輯：彭菁