紫外光通信用日盲型LED 研究進展

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 物理電子工程學院，山西 太原 030000；2. 中國科學院半導體研究所 半導體照明研發(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 長治 046000）

1 引 言

紫外光無線通信（Ultraviolet optical wireless communication，UVOWC）通常是指用波長為200 ~280 nm 范圍的“日盲區(qū)”UVC（Ultraviolet-C）波段，利用大氣當中的分子、氣溶膠等微粒的散射作用進行無線通信的技術。它利用UVC 波段在大氣中背景噪聲低的性質，具有防竊聽、抗干擾、非視距（Non-line-of-sight，NLOS）等優(yōu)點，特別適合應用于衛(wèi)星、戰(zhàn)術等通信場景[1]。自由空間紫外光通信的相關研究集中在發(fā)送光源和接收探測器的制備、光信號的調制編碼、對信道環(huán)境的建模分析、分集接收技術及多跳通信網絡等性能提升方法領域[2]，但由于日盲區(qū)紫外光的信道環(huán)境復雜、光源性能較差及光子吸收和散射嚴重等原因，如何實現長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發(fā)展的關鍵。傳統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，它極大地推動了紫外通信技術的發(fā)展。自2000 年以來，美國、中國、日本、歐洲等國家和地區(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 異質外延結構是使用金屬有機化學氣相淀積技術在藍寶石襯底上依次生長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)包括幾個周期極薄的低Al 組分AlGaN 量子阱，其通過高Al 組分的AlGaN 量子壘分離，通過調整Al 組分可使發(fā)射波長在200~365 nm 連續(xù)調節(jié)。

傳統倒裝UVC LED 的工藝復雜，通常有：清洗，臺面（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。還需要進行測試，如傳輸線模型測試、芯片片上測試（Chip on wafer，COW）、目檢等。

本文簡要介紹了紫外光通信光源發(fā)展及LED制備的基本工藝；回顧了傳統的大尺寸LED 光源在紫外光通信系統中的使用及其在使用過程中出現的難題；重點介紹了UVC Micro-LED 的關鍵技術研究，包括相對傳統LED 的性能提升、Micro-LED 特性的物理機制及其在紫外光通信中的應用；最后對紫外Micro-LED 在片上光互聯及自由空間通信方面的研究和應用進行了介紹。紫外光互聯相比可見光或傳統的導線互聯有很大優(yōu)勢，不僅可用作片上通信，還可以用多功能系統形式進行自由空間光通信。圖1 是典型的紫外LED 結構及其通信系統模型與測試平臺。

圖1 用于紫外光通信的傳統LED 的典型結構（a）、典型UVC 通信配置類型（b）、測量通信性能的實驗裝置（c）、通信系統的組成模型（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LED

紫外光源的輸出光功率和帶寬是限制通信系統性能的重要參數。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。外量子效率是指注入器件的電荷載流子轉換為LED 發(fā)射的UVC 光子的百分比，可以通過內量子效率乘以光提取效率來計算[9]。常規(guī)UVC LED 的EQE 在1% ~ 3%范圍內，發(fā)光強度在毫瓦級。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 時間常數[10]和載流子壽命決定，與尺寸有較強關聯性[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]。文獻報道中可以提升LEE 的方法有很多，比如采用高反射光子晶體[13]、反射電極[14]、制備網狀PGaN∕氧化銦錫電流擴展層以及用納米多孔模板作為外延材料[15]等。傳統LED 進行光通信的相關研究總結見表1。

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

2020 年，OOI 團 隊 使 用 商 用278 nm UVC LED，采用概率整形DMT（Probabilistacally shaped discrete multione, DMT）調制方法分別在1 m 和5 m 的距離下驗證了LOS 視距通信，速率分別為2.4 Gbps 和2.0 Gbps，是目前文獻中商用紫外LED 的最高通信速率。該團隊還采用分集接收技術，在1×2 SIMO 散射LOS 鏈路上（±9°）上傳輸速率均大于0.26 Gbps（0°時為1.09 Gbps）。驗證了單輸入多輸出系統穩(wěn)定性優(yōu)于單輸入單輸出系統，同時該系統也可以減輕有霧天氣引起的信道衰落現象[28]。然而，受限于LED 性能，通信能力進一步提升存在困難。

針對傳統紫外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用的特點，根據Yu 等的仿真研究可以發(fā)現采用較小的Mesa尺寸可以改善側壁發(fā)光[29]和電流擴展性，相比大面積LED，小尺寸LED 的效率有顯著提升。因此有必要進一步研究這種提升機制，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，它的軸向層應變小、光提取較高、電流分布均勻、散熱快、載流子壽命短和RC 時間常數小，在實現高亮度的同時還可以實現高帶寬[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道。

3.1 紫外Micro-LED 研究進展

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

2019 年，格拉斯哥大學顧而丹團隊制作了像素面積為566 μm2的主發(fā)射波長為262 nm 的紫外通信用Micro-LED 陣列，并且研究了單個Micro-LED 像素的電-光特性，圖2 是該研究中涉及到的器件結構、工藝、電光特性曲線和通信參數。該研究發(fā)現，首先，單個Micro-LED 像素的工作電壓在注入1 mA 電流時為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生的熱量使內量子效率降低，是導致大電流密度下出現亮度隨著注入電流的增加而減小的現象的一個原因，單個Micro-LED 像素在3 400 A∕cm2的注入電流密度下實現的最大亮度為35 W∕cm2。在電光調制性能方面，研究發(fā)現LED 的帶寬會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，因為所用的光電探測器（APD）的截止頻率接近450 MHz，最終沒有測量出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，并對物理學機制如亮度的下降現象等進行了初步的探索。

圖2 （a）GLA 報道的15 個發(fā)射波長為262 nm 的Micro-LEDs 的外延結構；（b）用于光通信的陣列照片；（c）OOK 調制下的800 Mbps 通信所得眼圖；（d）單個微像素（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）用于波分復用實驗的UVB 器件結構［4］；（f）-3 dB 帶寬作為注入電流密度的函數圖；（g）器件點亮圖［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）北京大學報道的像素尺寸為25，50，100，200 μm 的μLED 陣列光學顯微圖像；（b）四種芯片在大電流密度下的EL成像圖；（c）單獨成像的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時的頻率相關調制帶寬；（e）在不同信號調制深度下誤比特率（Bit error tate，BER）與數據速率的關系［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)送信號和S1-PD 捕獲的接收信號；（d）用S1-PD 實驗數據擬合的上升和衰減時間曲線；（e）片上光通信實驗測得的眼圖，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，該團隊分析了減小Mesa 尺寸對UVC Micro-LED 的發(fā)射波長、達到EQE 最大值時的電流密度和-3 dB 帶寬等參數的影響，并分析了產生這些現象的物理機制。研究發(fā)現，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，展示出強烈的尺寸依賴性；由于刻蝕側壁引入的晶格缺陷和大注入電流共同作用，肖克利-里德-霍爾復合與俄歇復合增加，導致EQE 發(fā)生droop 效應時所對應的注入電流密度增加。對于激發(fā)波長，由于產熱和能帶填充效應的疊加作用，所有LED 的發(fā)射波長會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聯[34]。

隨后，南卡羅萊納大學Floyd 團隊報道了Al-GaN 基Micro-LED 陣列的光-熱特性與Mesa 尺寸之間的關系。報道中采用了原子層沉積技術生長Al2O 作為P、N 電極鈍化層，并使用雙層互聯技術，將單個Micro-LED 像素互聯成發(fā)光陣列。隨著Micro-LED 尺寸的減小，同樣注入電流密度下，芯片的產熱減少，亮度更大，因此在更大的電流密度下實現了更大的峰值亮度。比如在10.2 kA∕cm2下，Mesa 半 徑5 μm 像 素 的 亮 度 高 達291 W∕cm2，是90 μm 器件的30 倍。文獻中還提到，隨著Micro-LED 陣列的像素尺寸減小，每個像素的熱阻顯著減小，散熱性能增強；但對于單個器件尺寸為5 μm 的陣列來說，進一步通過減小像素尺寸已經對熱阻的量級不產生顯著影響?？傊瑢τ谕瑯影l(fā)射面積的Micro-LED 陣列，像素尺寸越小，陣列的工作電壓越小，整體并聯微分電阻越小，在同樣注入電流密度下相應地光提取效率越好，電光轉化效率（Wall-plug efficiency，WPE）越大。因此，理 想 像 素Mesa 尺 寸 在5 ~ 10 μm 范 圍 內[35]。但該工作沒有繼續(xù)研究不同的幾何結構是否會對器件的物理性能產生影響[36]。

日本東北大學Kojima 探尋了由藍寶石襯底的鄰位角不同引起的AlGaN 量子阱Mirco-LED 的內量子效率（Internal quantum efficiency，IQE）和帶寬不同的機制。研究表明，LED 的帶寬主要是RC時間常數決定，不是載流子復合壽命決定的；具有0.3°鄰位角的襯底的Micro-LED 比1°鄰位角對照物的IQE 更大，電容更小。這是因為小鄰位角的藍寶石襯底上生長的量子阱有許多低電阻率的富Ga 微路徑，注入電流優(yōu)先通過這些微路徑，更有可能發(fā)生輻射復合。這時的LED 可以看成是由1 μm 尺寸的自組裝Micro-LED 并聯形成。微路徑的存在降低了并聯電容和電阻效應并提升了帶寬[11]。

2021 年，Floyd 研 究 了 分 別 使 用Al2O3∕Al 覆 蓋垂直側壁和傾斜側壁的兩種工藝對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)現傾斜側壁的Micro-LED 比垂直側壁的Micro-LED 具有更高的LEE。傾斜側壁器 件 的LEE 隨Mesa 尺寸從90 μm 減小到5 μm 逐漸增強，這歸因于材料的橫向吸收長度較短（<20 μm），更多的橫磁（Transverse magnetic, TM）極化光子發(fā)射能在被半導體橫向材料吸收之前已被提取。另一方面，控制側壁傾角不變，蓋有Al2O3∕Al層的器件相比裸露側壁的器件，側壁的反射率更低，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Micro-LED 陣列的性能增強機理仍需探索，也需要對每個像素及陣列中的光學傳播進行系統研究[38]。

中國科學技術大學孫海定團隊使用主發(fā)射波長為280 nm 的Micro-LED 研究了不同側壁角度對光提取的影響。研究表明，小的側壁角（33°）將導致更多從有源區(qū)發(fā)射的光被側壁向藍寶石襯底側反射。橫向傳播的TM 光子朝襯底的引導被增強，是傾斜側壁引起LEE 改善的機制。時域有限差分仿真得到最適宜的側壁角在25°~ 35°范圍[36]。隨后，該團隊報道了275 nm AlGaN 基單顆Micro-LED 的光電特性的尺寸依賴性。隨著單個像素尺寸的減小，漏電流增加、EQE 小幅增加，微分串聯電阻近似正比于Mesa 的直徑D的-2 次方，D越小，單個像素的串聯電阻越大。同時觀察到，隨著單個像素尺寸減小，相同偏置電流下，EL 發(fā)射波長的紅移量增加。這與尺寸減小時的熱功率密度增加有關，當使用脈沖電流激勵，紅移現象消失。在大電流密度下，較小的Micro-LED 中可以觀察到半峰寬（FWHM）因熱輻射效應而產生明顯拓寬現象[38]。

2022 年，北京大學王新強團隊使用25 μm Mesa 尺寸的Micro-LED 實現了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，呈現出與Mesa 面積成反比的趨勢。因為小尺寸Mesa 應變弛豫，引起每個像素的多量子阱的量子限制Stark 效應減弱[39]。因此在相同注入電流密度下，單顆Mesa 尺寸越小，發(fā)射波長藍移量越大。 當像素尺寸大于25 μm 時，電流擁擠和自熱效應[40]較為明顯，因此最適宜的Mesa 尺寸小于25 μm[33]。

同年，中國科學院半導體研究所魏同波團隊探究了主發(fā)射波長為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，在同樣電流注入水平，和相同發(fā)光面積的傳統LED 器件相比，Micro-LED 陣列的主發(fā)射波長會發(fā)生藍移，半波寬也會變窄，這是應變的弛豫和散熱的改善引起的變化[41]。

同年，中國香港科技大學郭海成團隊利用電感耦合等離子刻蝕（Inductively coupled plasma，ICP）和混合化學處理兩種工藝制作了發(fā)射波長在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）溶液適當處理將修復側壁損傷，可以提升輻射復合效率，有利于提升器件IQE。采用ICP 和TMAH 循環(huán)的方法對器件側壁出光面做納米尺度粗化處理，有利于大幅提升側壁出光[42]。

同年，復旦大學田朋飛團隊研究了Micro-LED 的EQE 改善機制?？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、俄歇復合、過熱的共同作用。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合加劇，這是器件效率下降的主要原因。實驗表明，相比于大面積LED，更小尺寸的Micro-LED 有著更加均勻的電流擴展和更加優(yōu)良的光提取性能，對出光效率的提升有關鍵作用[43]。目前報道的深紫外Micro-LED 及其陣列的電光性能總結于表2 中。

表2 已報道的深紫外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壁損傷引起的非輻射復合減少，EQE 的提升不明顯。根據熱阻[35]、電流擁擠[43]、橫向光吸收[37]和側壁出光[45]的等約束條件，最適合的Mesa 尺寸<20 μm?？梢酝ㄟ^傾斜側壁[36]、淀積散熱層[35]、化學處理[42]和表面離子注入[46]來提升器件效率。在物理機制方面，在大電流注入下，增大電流密度而產生的熱而引起單個Micro-LED 的發(fā)射波長紅移現象，可以通過脈沖激勵消除。盡管Micro-LED 也存在局部過度俄歇復合[42]但相同電流密度時，相比傳統LED電流擴展性能，Micro-LED 更有優(yōu)勢。目前Micro-LED 的制備工藝仍不完善，對光刻精度、歐姆電極金屬體系、退火、側壁鈍化甚至外延片的質量要求很高，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，北京大學王新強團隊制備的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，測得的最高通信速率為0.97 Gbps，由于驅動方式的限制，仍然保留了速率提升的巨大潛力[33]。同年，格拉斯哥大學顧而丹等對280 nm 波長的Micro-LED 光通信芯片的偏置條件和數據編碼方案進行了系統性的優(yōu)化，使用UV-C Micro-LED 達到最遠17 m 的距離，同時保持大于4 Gb∕s 的無差錯數據速率。這是目前基于Gb∕s UV-C LED 的OWC 的 最 遠 通 信 距 離[48]。

目前來看，在自由空間光通信方面，相對于可見光通信芯片[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)沿橫向波導耦合TM 光子方面具有天然的優(yōu)勢，制備工藝與傳統工藝兼容，有巨大的應用潛力。相關報道被總結在表3 中。

表3 紫外光通信用Micro-LED 通信性能參數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）具有減小系統尺寸、降低功率和成本的優(yōu)勢[49]。多量子阱二極管具有發(fā)光-檢測現象，十分適合作為光互聯器件用在可見光和紫外光波段的集成光電系統中，以減少電互聯引起的功耗和延遲。目前使用可見光[50]與紫外光集成器件進行通信的實驗已有報道。

2023 年，魏同波團隊使用具有非對稱多量子阱結構的InGaN 材料制造了有450 nm 波長可見光LED、波導和光探測器（Photodetectors，PD）的單片集成芯片。使用這種非對稱外延結構后，LED的EL 與PD 的響應之間的光譜重疊增加了4.5倍，PD 的光暗電流比增加7 個數量級，增強了LED 與PD 間 的 光 連 接[51]。

由于環(huán)境光引入的背景噪聲和串擾難以避免，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]，這對需要沿波導的橫向光耦合與傳播是不利的[54]。相比之下，對于發(fā)射波長<280 nm 的UVC LED，光主要以橫向傳播的TM 極化[55]。因此，用UVC LED 做集成芯片有實現更高效通信的潛力[54]。

2018 年，名古屋大學Amano 報道了一種286 nm 多元件集成系統，其中兩個相同的多量子阱LED 與波導一起集成在單個芯片上。該系統兼容現有的LED 制備工藝，并且通過利用多量子阱結構LED 的收發(fā)同時（Simultaneous emission-detection phenomenon）結構，在兩個二極管之間建立光學鏈路。收發(fā)同時，即一個多量子阱二極管將電信息轉錄為要耦合到波導中的光信號，然后，被引導的光沿著波導傳播到另一個多量子阱二極管，該二極管將光信號轉換成電信號，可以作為PD 使用，實現了50 Mbps 的光傳輸[56]。

2020 年，中國香港科技大學劉紀美團隊基于Si 上生長的P-GaN ∕AlGaN∕GaN 異質結構，將高性能日盲區(qū)紫外檢測器[57]與360 nm 波長的Micro-LED 進行片上集成。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∕下降時間，這項研究驗證了單片集成LED 和PD 在Si基芯片上可實現片內通信的能力[58]。

同年，Floyd 報道了一種UVC PIC，它由發(fā)光波長為280 nm 、臺面尺寸為100 μm × 100 μm 的AlGaN 基Micro-LED、響應波長為250 nm 的PD、作為波導的1.5∕3.5 μm 厚的N-AlGaN∕AlN∕藍寶石介質層三部分組成。雖然LED 發(fā)射和PD 的響應波長不同，但波譜具有足夠的重疊，可以支持百兆速率傳輸。結果顯示，LED 工作時，PD 接收到的光全部來自介質波導層，其中N-AlGaN 層、AlN和藍寶石中分別占80%、7%和13%。波導中傳播衰減系數約為23 cm-1，這證明了波導可以有效限制并傳導紫外光信號。研究還發(fā)現，通過在晶片背面涂覆紫外線吸收材料可以有效減少信號間的串擾[59]。

2022 年，魏同波團隊在一片AlGaN 多量子阱晶元上成功制備了集成有274 nm 波長LED、光波導與光探測器三種器件的通訊芯片。文中解釋了相同多量子阱結構的LED 與自驅動PD的收發(fā)同時。相比較以往報道的氮化物紫外PD，該文章中報道的自驅動PD 在片上通信實驗中上升∕下降時間響應為127∕131 ns，相鄰的光學串擾降低了70%，是目前報道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制作單片集成系統更具潛力，是目前的重點研究方向之一[60]。表4 匯總了近期文獻報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)境對傳輸距離的要求較低，但目前相關研究不多，物理機制還需進一步探索。

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

5 結論與展望

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)射波長集中在260~280 nm 波段，壽命基本在5 000 h 以上。商用產品性能提升所面臨的挑戰(zhàn)來自于外延、芯片及封裝領域，包括提升材料質量、優(yōu)化封裝材料、改善歐姆接觸等。

目前，部分實驗室制備器件的WPE 可達6%~10%，預計2026 年可突破15%?？傮w來看，UVCLED 芯片WPE 提升可以在材料選擇、外延芯片工藝、獨特的封裝技術上進行探索。

將紫外LED 和APD 集成有望實現多功能系統，如實時檢測光強的通信、照明芯片等，但目前該領域研究較少。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。目前對于Micro-LED 的研究集中在物理機制領域，驗證了它在提升紫外LED 性能方面的潛力[62]。后續(xù)應改善其制備工藝，兼顧成本和可靠性，最終實現在商用領域的高水平應用。

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 的廣泛應用指日可待！

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