走向基于氮化铟镓Micro LED的光电探测器阵列

中国复旦大学和加拿大多伦多大学一直在探索以光电二极管（PD）模式使用氮化铟镓（InGaN）Micro LED阵列来实现多输入，多输出（MIMO）可见光通信（ VLC）[刘小燕等人，ACS Photonics，在线发布于2019年10月31日]。研究小组认为，该技术可能导致显示器，快速数据传输和光电探测器的集成，通过信号本身或通过太阳能照明以光电方式供电。

研究人员评论说：“这样的多功能Micro LED信息显示器对于需要高速无线网络和大量电力的应用非常有用，例如用于可穿戴虚拟现实/增强现实（VR / AR）设备以及户外的信息显示芯片大屏幕显示。”

VLC被视为一种无线通信技术，可以部署在飞机或医院等射频电磁干扰可能成问题的环境中。

由于较小的寄生电阻和电容，预计Micro LED的小尺寸将导致更高的带宽。尽管已经研究了单个Micro LED光电探测器，但研究人员报告说，迄今为止尚未提出此类设备的并行阵列结构。

2x2 MIMO系统由405nm紫色激光二极管（LD）的传输组成，这些传输在1m的自由空间距离上传输到用作光电探测器的450nm蓝色Micro LED结构上（图1）。之所以使用激光二极管，是因为两个信号源之间的串扰减少，光束发散角减小。使用透镜系统准直激光。

图1：（a）Micro LED的示意图，（b）MIMO VLC的设置，以及（c）实验照片。

研究人员使用在有图案的蓝宝石衬底上生长的商业金属有机化学气相沉积（MOCVD）材料制造了他们的设备。感光区域是带有GaN势垒的氮化铟镓（InGaN）多量子阱（MQW）。氮化铝镓（AlGaN）电子阻挡层包括在该结构中。使用等离子增强化学气相沉积（PECVD）施加二氧化硅（SiO 2）绝缘。镍/金（Ni / Au）用于电流扩散。n接触垫和p接触垫由钛/金（Ti / Au）组成。

光电探测器的直径在40μm和100μm之间变化。在零偏压下，光/暗电流比或“光敏度”约为10 9。此高值是由于在10 -14 A的零偏压下极低的暗电流引起的。激光二极管的功率密度高达11.0W / cm 2。

器件偏置为-5V时，较小的器件的光/暗电流比为10 7，较大的器件为10 8。研究人员说，这些值与报道的*好结果相匹配，并且“比以前报道的具有光电导，PN或异质结结构的GaN光电探测器的值更高”。该团队期望较高的值有益于设备的信噪比和最小检测极限。

当照度为11.0W / cm 2时，直径为40μm的Micro LED的短路电流为27.4μA。对于100μm的直径，这增加到188μA。开路电压均为2.6V。这种光伏效应可用于为电路的其他部分供电。研究人员报告说，他们已经利用这种收集的能量为660nm激光二极管供电。该团队发现将这种设置用于危险和恶劣环境中的系统的潜力。

具有11.0W / cm 2激光功率密度的自供电Micro LED的响应度对于40μm直径为0.24A / W，对于100μm为0.21A / W。直径为60μm的Micro LED可获得0.29A / W的响应。研究人员估计直径40μm，60μm和100μm的Micro LED的量子效率分别为74％，88％和62％。

在-5V时对器件进行偏置可得到0.27、0.31和0.24A / W的相应响应–量子效率分别为82％，96％和73％。研究人员将性能提高归因于在反向偏压下增强了电子和空穴的分离和收集。

该团队评论说：“在405nm的波长下，响应度值高于商用Si-PIN光电检测器，并且比以前没有内部光电流增益的基于GaN的光电检测器略好。”

零带宽下，测量带宽和噪声对Micro LED-PD的影响的比探测系数约为10 13 Jones（cm-Hz 1/2 / W）– 直径40μm时为7.5x10 12 Jones，而直径为60μm时为1.5x10 13 Jones。由于暗电流增加，-5V偏压的值有所降低–直径40μm时为1.11x10 11 Jones，直径为60μm时为2.3x10 12 Jones。

对于高速通信，需要对照明变化的快速响应。较小的设备可能具有更快的上升和下降时间。在零偏压下，对于直径为40μm的Micro LED，响应11.7W / cm 2激光二极管照明的上升和下降时间分别为22.0ns和23.7ns。这些时间通过-5V反向偏置分别减少到13.2ns和13.7ns。

研究人员解释说：“与0V偏置相比，在-5V偏置下，光响应时间变短，这归因于在反向偏置下载流子的漂移速度增加。

实际上，直径为60μm的Micro LED具有改善的上升/下降时间：零偏压下为17.2n / 20.2ns，-5V下为12.2ns / 12.7ns。

对于40μm，60μm和100μm器件，-5V反向偏置下的-3db电光调制带宽分别为56.8、56.2和53.5MHz。这些值在零偏置时减小，对应值为40.3、41.2和38.6MHz。

在开关键控（OOK）调制传输中，研究人员将100μm器件反向偏置为-5V，达到了每秒185兆位（Mbps）（图2）。误码率（BER）为3.5x10 -3，比可能的前向纠错（FEC）的3.8x10 -3上限低。

图2：（a）对于具有各种直径的基于Micro LED的光电探测器，在-5V偏置下BER与数据速率的关系。黑色实线和黑色虚线分别代表-3dB带宽和FEC阈值。对于60μm Micro LED的光电探测器，分别在-5V和0V偏置下以160（b）和100Mbps（c）的数据速率捕获的眼图。

60μm器件在零偏置和3.6x10 -3 BER的情况下达到了120Mbps 。在-5V反向偏置下，相同的设备可实现175Mbps和3.7x10 -3 BER。研究人员评论说：“在拟议的2x2 MIMO VLC中，使用60μm Micro LED的光电探测器作为光接收器，可以实现350Mbps（在-5V偏置下）和240Mbps（在零偏置下）的理想实时数据速率。”

应用缩放参数，该团队建议使用10x10阵列可以达到18Gbps，而使用128x128设置可以达到每秒几兆兆位。但是，该团队警告说：“由于越来越多的阵列不可避免地会出现串扰和准直困难，因此在实际应用中实现对多Gbps传输的扩展面临着巨大挑战。”