近期，臺灣大學林恭如教授團隊、陽明交通大學郭浩中教授團隊及東京大學暨日本學術振興會程志賢特別研究員合作開發帶有奈米光柵結構的半極化綠光2x2微型發光二極管（Micro LED）陣列并進行高速傳輸封裝以實現高速無線可見光傳輸其傳輸位元率可達5 Gbps，相當于不到1秒鐘就能傳輸一片DVD或一部高畫質電影，有望應用在智慧顯示、擴增實境領域，助攻元宇宙發展,如圖一所示。在綠光2x2 Micro LED陣列的特殊設計下可以有效抑制量子局限史塔克效應（Quantum-confined Start effect）以擁有低極化相關電場和平坦的量子阱能帶。

 

圖一（a）納米結構半極化綠光Micro LED元件示意圖（b）（c）2х2 Micro LED元件點亮與未點亮在光學顯微鏡下的影像

 

Micro LED除了照明以及顯示技術，還能將訊號加在Micro LED上，使其作為光源傳輸，賦予一個兼具照明以及資料傳輸的通訊應用，若照明波段落在可見光的，我們就將其稱為可見光通訊（Visible Light Communication, VLC）。由于Micro LED具有低功耗以及較高的調變頻寬，在可見光通訊領域會有很大的潛力。

 

而可見光通訊需要的成本來自于發射元件、接收元件、驅動電路、用于可見光通訊的專用芯片等，然而價格限制了可見光通訊的發展，因此，需要不斷的改進制程，降低生產成本，才能使光通訊得以大規模推廣，通過市場帶動技術發展，規模化生產促進光通訊成本降低。

 

為了解決芯片縮小因表面缺陷造成LED光電特性不佳的問題，郭浩中教授研究團隊導入原子層鈍化沉積技術（Atomic layer deposition, ALD）來提升元件輻射復合的效率，減少漏電流的產生，開發出高性能的高速綠光Micro LED元件。此種效應使得綠光2x2 Micro LED陣列表現出2.5 V的啟動電壓以及在電流密度1 A/cm2操作下得到0.3 mW的輸出功率。

 

此外，此綠光2x2 Micro LED陣列相較于一般傳統LED元件展現出較小的波長偏移。另一方面，50m的大孔徑設計可以有效降低元件的電容宜以提升整體3-dB調變頻寬及在更大的偏壓表現出-1dB的功率壓縮。綠光2x2 Micro LED陣列設計相較于單顆Micro LED元件也可有效降低整體的元件借以降低功耗。

 

在搭配特定高速傳輸封裝使得綠光2x2 Micro LED陣列在非歸零開關鍵控格式訊號（Non-Return-to-Zero On-OFF Keying）傳輸下，其傳輸位元率可達1.5 Gbps。如圖二（a）所示；

 

圖二（a）-（f） NRZ-OOK傳輸下的眼圖分析，其傳輸位元率可達1.5 Gbps

而在寬帶正交振幅調變-正交分頻多工格式傳輸系統下，使用8階正交振幅調變-正交分頻多工格式訊號且采樣率為16 GS操作下，其誤碼率可達3.3×10-3，總傳輸位元率達4.5 Gbps。綠光2x2 Micro LED陣列使用加載離散多音（Bit-Loaded Discrete Multitone）格式傳輸在可以超過5 Gbps的傳輸位元率，為目前已知綠光調變最 高的總傳輸位元率，如圖三所示。

 

圖三、比較利用NRZ-OOK與OFDM調變方式達到的總傳輸位元率

 

此次工作中顯示綠光2x2 Micro LED陣列擁有更大的潛力，當與手持移動設備封裝結合以應用于可見光通信或光無線通信領域的未來應用。相關研究成果被2021年被頂尖光電期刊《Photonics Research》所接受。

 

白光照明VLC研究上，陽明交通大學郭浩中教授團隊與與美國新創公司Saphlux、耶魯大學、廈門大學的研究人員合作，采用半極化（Semipolar）的Micro LED結合提出了一種用于全彩顯示的PNCs-Micro LED （Perovskite NCs, PNCs）顯示技術，該元件是使用半極性（20-21）藍色Micro LED陣列進行激發，該陣列具有發射綠色的CsPbBr3和發射紅色的CsPbBrI2 PNCs，如圖四所示。接著在外層披覆SiO2以增強其穩定性，使PNCs可以在老化測試超過1300小時后成功保持其光強度。

 

圖四、可撓式色轉換層的制作流程與PNCs-Micro LED白光元件的影像圖

 

此外，半極性（20-21）Micro LED陣列具有良好的波長偏移特性，在不同電流密度下，與具有同對數量子阱（MQW）設計的c-plane Micro LED相比，波長偏移僅為2.7 nm，如圖五（c）。PNCs產生的紅色和綠色顯著提高了色純度和色域，可達到127.23% NTSC標準色域面積占比的和95.00% Rec. 2020，如圖五（b）。

 

同時也提供655 MHz頻寬和1.2 Gbp/s 的數據傳輸速率，如圖五（a）（d）-（f）所提出的PNC-Micro LED具有色偏小、色域大、頻寬高、穩定性強等優點，相關研究成果被2021年被頂尖光電期刊《Photonics Research》所接受。

 

 

圖五、（a）不同操作電流下的半極化藍光Micro LED頻率響應；（b） PNCs-Micro LED的色域面積圖；（c）半極化藍光Micro LED在不同操作電流密度條件下的波長位移；（d）-（f） NRZ-OOK傳輸下的眼圖分析，其傳輸位元率可達1.2 Gbit/s。

 

在15日舉行研究成果記者會上，中國臺大光電所暨電機系終身特聘教授林恭如林恭如表示，團隊通過材料與結構設計，研發出超快綠色微型發光二極管陣列元件（Green Micro LED），傳輸速度達到自由空間中每秒超過50億位元（5Gbps），相當于不到1秒鐘就能傳輸一片DVD或一部高畫質電影，是目前全球最快的可見光傳輸速度紀錄。

 

林恭如表示，超高速綠光微型LED陣列的研究成果，是繼高速藍光與紅光微型發光二極管元件的開發后，完成讓智慧顯示裝置也能進行自由空間光通訊研究發展的最后一哩路。

 

團隊表示，這項成果也被美國光學學會電子期刊“光學聚焦（Spotlight on Optics）”選為2021年度代表性論文，成為去年1萬多篇出版論文中最具代表性的100篇論文之一，元件發表后受到鴻海的重視。

 

郭浩中指出，未來元宇宙的世界中，穿戴式裝置是其中重要一環，不只顯示亮度要夠，也要可以大量傳輸資料，因此把光當作傳輸資料方式，就算在人群密集時，光通訊也不會發生塞車狀況。

 

林恭如表示，相關微型LED技術突破，未來不只應用在智慧顯示、擴增實境，助攻元宇宙發展而已，元件本身也可以作為普遍性光源使用，如果有高速數據傳輸需求，象是智慧醫療、智慧零售等其他領域也有機會應用。