帶寬

研究發(fā)光二極管(LED)器件調(diào)制特性以及在高速調(diào)制狀態(tài)下的發(fā)光特性是提升新型可見光通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問題之一，LED器件調(diào)制特性的提升可以顯著拓展可見光通信系統(tǒng)的應(yīng)用范圍?；贚ED器件的調(diào)頻特性，通過分析發(fā)光器件和封裝的結(jié)構(gòu)及其他關(guān)鍵光電性能，提出建議：通過降低RC時間以及載流子自發(fā)輻射壽命，有效改善LED器件的響應(yīng)速率，提高LED的調(diào)制帶寬。

1 LED器件的調(diào)制帶寬及其測試

帶寬一般指信號所占據(jù)的頻帶寬度。當(dāng)描述信道時，帶寬指能夠有效通過該信道信號的最大頻帶寬度。發(fā)光二極管(LED)的調(diào)制帶寬則是器件在加載調(diào)制信號時，能承載信號最大的頻帶寬度，一般定義為LED輸出的交流光功率下降到某一低頻參考頻率值得一半時(如-3 dB)的頻率定為LED的調(diào)制帶寬。LED的調(diào)制帶寬是可見光通信系統(tǒng)信道容量和傳輸速率的決定性因素，受到器件實際的調(diào)制深度、伏安特性等因素的多方面影響。

LED器件調(diào)制帶寬的測試，通常都是對直流工作下的器件加載模擬信號(如正弦信號)，測量光功率信號隨頻率變化的曲線，來確定帶寬。

圖1給出了一種器件調(diào)制特性測試系統(tǒng)[1-3]。它主要包括信號發(fā)射端和接收端。在發(fā)射端，信號發(fā)生器發(fā)出的信號被功率放大器放大，以提高其調(diào)制深度;隨后，信號加載到驅(qū)動LED的直流偏置上，使得LED發(fā)出調(diào)制光信號;在接收端，光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過濾波放大，輸出到示波器上。

圖1 器件調(diào)制特性測試系統(tǒng)組成

圖2 器件調(diào)制特性測試系統(tǒng)組成

圖2是另一種器件調(diào)制特性測試系統(tǒng)[4-5]。系統(tǒng)的核心是網(wǎng)絡(luò)分析儀，它將信號產(chǎn)生、探測以及處理的功能集成在一起，能夠?qū)崿F(xiàn)更高頻率的測試。測量LED調(diào)制帶寬，主要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)分析儀的S21參數(shù)，即網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口2的輸入功率/端口1的輸出功率。

帶寬

2 影響因素及改善方法

一般來說，影響LED調(diào)制特性的因素主要取決于以下兩個方面[6]：RC時間和載流子自發(fā)輻射壽命。LED的有源區(qū)是多量子阱結(jié)構(gòu)，具有電荷限制作用，在響應(yīng)過程中的上升下降時間稱為RC時間，主要受到結(jié)電容影響，對信號具有延遲作用;而器件有源區(qū)內(nèi)載流子自發(fā)輻射壽命直接影響載流子從復(fù)合到光子逃逸出器件的時間。

2.1 降低RC時間

圖3所示為LED的小信號等效電路[7]。這個小信號等效電路，實際上和閾值電壓下的激光器的等效電路類似。因為在閾值電壓下，激光器器件工作在自發(fā)輻射狀態(tài)，受激發(fā)射過程還沒有開始，所以LED也使用該等效電路[8-11]。

圖3 LED 的小信號等效電路

其中，C是結(jié)電容，RD是結(jié)電阻，RS是等效串聯(lián)電阻，L為引線等引起的寄生電感。研究人員通過實驗測量及理論擬合，可以得到這些對應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)[7-8]。這里得到的電容和幾何電容是一個量級的，電阻也和幾何電阻相近。因此通過器件的尺寸設(shè)計可以有效調(diào)整等效電路參數(shù)進(jìn)而提高器件帶寬。

通過這種器件的尺寸設(shè)計來降低RC時間，從而改善LED調(diào)制帶寬，是較為直觀的一種方式。通過設(shè)計一組不同尺寸(結(jié)面積、p-GaN與結(jié)接觸面積不同)的LED器件，研究尺寸對LED帶寬的影響[4]。有源區(qū)面積越大的器件，在相同電流密度下，具有較小的調(diào)制帶寬。其原因主要是因為等效結(jié)電容更大，而且電容增大對帶寬的影響比電阻減小的效果更加顯著。這個結(jié)果和臺灣成功大學(xué)的J.-W. Shi等人[6]的結(jié)果一致。圖4給出實驗器件A與B在不同驅(qū)動電流下的頻率響應(yīng)曲線。A器件p-GaN與結(jié)接觸面積更大。

圖4 兩種不同尺寸器件在多個驅(qū)動電流下的頻率響應(yīng)曲線

圖4還反映了不同電流對LED帶寬的影響，大電流下，載流子濃度增加，導(dǎo)致多量子阱內(nèi)復(fù)合增強(qiáng)，載流子輻射復(fù)合壽命減小。

臺灣清華大學(xué)的Chien-Lan Liao等人[12]利用摻鎵(Ga)的氧化鋅(ZnO)薄膜GZO，有效地降低了結(jié)電容。圖5顯示具有電流限制層的藍(lán)光LED結(jié)構(gòu)示意圖。由于將p型的GaN層刻出臺面，在p型上做電極，能減小有效電容。而且電極采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，利用橫向電阻大的GZO薄膜，實現(xiàn)對電流限制作用，使得電流主要在垂直方向傳輸，即GZO實現(xiàn)了與氧化銦錫(ITO)相反的功能，抑制了電流的擴(kuò)展。因此，實際的結(jié)電容將會變小，從而實現(xiàn)LED調(diào)制帶寬的提高。通過這種環(huán)形電極設(shè)計，該器件的3 dB帶寬達(dá)到225 MHz。

圖5 采用GZO 作電流限制層的外延片結(jié)構(gòu)

臺灣中央大學(xué)的許晉瑋等人[13]通過串聯(lián)的方式也有效提高了LED調(diào)制速率，其出發(fā)點(diǎn)也是基于對RC時間的優(yōu)化。假如N個相同的LED串聯(lián)，電阻值將線性增加R總=N·R，而電容值線性降低C總=C/N。這樣雖然RC時間沒有發(fā)生變化。但是，一般器件都要外接負(fù)載，那么實際RC就是(N·R+R0)·C/N，因此，就小于單個相同面積LED的RC(RC+N·R0C)，從而可以有效提高調(diào)制帶寬。

帶寬

2.2 降低載流子自發(fā)輻射壽命

可見光(VLC)通信系統(tǒng)一般都工作在大電流區(qū)域范圍內(nèi)，因此還需要研究不同電流下頻率響應(yīng)。圖6是不同電流下，器件頻率響應(yīng)曲線。外加驅(qū)動電流越大，電光轉(zhuǎn)換(E-O)的3 dB帶寬也會越大[12-15]。從圖6可以看出，120 mA下調(diào)制頻率大約是40 mA下的2倍。主要因為激子復(fù)合幾率正比于注入載流子密度[6]。大電流下，注入的載流子濃度增加，因而激子復(fù)合幾率增加，輻射復(fù)合載流子壽命降低，E-O快速響應(yīng)。

圖6 不同電流對器件調(diào)制頻率的影響

影響載流子自發(fā)輻射壽命的因素很多，一般來說，外部因素主要是來源于注入載流子的濃度;而內(nèi)部因素主要是由于器件自身的結(jié)構(gòu)以及其他復(fù)合通道等。

伊利諾伊大學(xué)香檳分校的M. Feng等人[16]，通過一種類似異質(zhì)結(jié)雙極發(fā)光晶體管(HBLET)的LED將調(diào)制速率提高了一個量級，達(dá)到吉赫茲量級。HBLET是一種3端口發(fā)光器件(一個電輸入端、一個電輸出端、一個光輸出端)，器件中量子阱有源區(qū)合并到基區(qū)，提高了電學(xué)和光學(xué)的性質(zhì)，而高速LED結(jié)構(gòu)和HBLET相似。在60 mA驅(qū)動電流下，器件的E-O調(diào)制頻率高達(dá)7 GHz，但是功率很小，大約僅為13.8 μW。圖7為器件(n-p-n結(jié)構(gòu))的結(jié)構(gòu)示意圖，可以看到發(fā)射極接負(fù)電壓，基極和集電極(這個也叫漏極Drain)接正極，這樣發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。因為基極和漏極同一電位，基極-漏極邊界沒有電荷分布積累，交流驅(qū)動下，在基區(qū)建立動態(tài)的發(fā)射極與漏極的電荷分布。因此，基區(qū)的過剩載流子自發(fā)輻射復(fù)合的壽命就大于從發(fā)射極到漏極的傳輸時間，使得載流子還沒有來得及復(fù)合，就被內(nèi)建反向電場掃到漏極，僅保留快速的載流子復(fù)合發(fā)光，從而提高了調(diào)制速度。

圖7 高速Tilted-charge LED 結(jié)構(gòu)

圖8給出了E-O的頻率測試結(jié)果。調(diào)制頻率非常高，并且隨著電流的增加，調(diào)制速度提高，在60 mA時達(dá)到7 GHz。這個結(jié)果和塑料光纖發(fā)光二極管(POF-LED)結(jié)果相同。但是存在一個很大的問題是，器件的功率非常小，3 V的正向偏壓下，驅(qū)動電流達(dá)到60 mA，所對應(yīng)的光功率只有15 μW，完全不適用于照明LED，不過該工作也提供了一種改進(jìn)大功率LED帶寬的思路。

圖8 不同驅(qū)動電流IE 下的頻率特性(電荷傾斜分布LED(25℃))

材料中的載流子復(fù)合機(jī)制包括輻射復(fù)合、非輻射復(fù)合。表面等離激元耦合是除了前面兩者外第3種能量傳遞通道也能夠影響輻射復(fù)合載流子壽命，提高LED調(diào)制帶寬。

加州理工學(xué)院的Koichi Okamoto等人[17]首次在LED上利用表面等離激元，得到出光增加的效果。文獻(xiàn)[18]給載流子復(fù)合發(fā)射光子提供了一條新的技術(shù)途徑。如圖9所示，載流子復(fù)合的能量轉(zhuǎn)換有多個途徑，包括輻射復(fù)合、非輻射復(fù)合以及量子阱-表面等離激元(QW-SP)耦合。非輻射復(fù)合不能產(chǎn)生光子，能量最終以熱的形式耗散掉了;輻射復(fù)合能夠產(chǎn)生光子，產(chǎn)生的光子有一部分能夠溢出器件，逃逸出的光子數(shù)能通過外量子效率反映。圖9中黑色箭頭表示QW-SP耦合的可能形式。載流子復(fù)合后能量沒有直接轉(zhuǎn)換為光子，而是耦合到距離比較近(30 nm左右)的表面等離激元中(SP)，然后再以輻射的形式將能量放出到LED外面。這個過程的速度遠(yuǎn)比輻射復(fù)合能量轉(zhuǎn)換速度快。490 nm波長下，差異明顯減小，這個是由于QW-SP耦合波長在藍(lán)光，因此長波長的位置，能量耦合減弱，差異減小。

圖9 電子空穴復(fù)合時QW 與表面SP 耦合

通過Al組分調(diào)控[5]以及delta摻雜技術(shù)[19]，同樣可以實現(xiàn)LED器件帶寬的提高。Al組分調(diào)控，原理主要是改變能帶結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)空穴的有效注入，調(diào)控極化電場，從而實現(xiàn)調(diào)制帶寬的提高，300 mA工作電流下，帶寬從23.5 MHz提高到25.5 MHz;Delta摻雜技術(shù)，實現(xiàn)了載流子的大量注入，從而降低了載流子壽命，實現(xiàn)相同電流密度下，調(diào)制帶寬的提高。圖10給出了delta摻雜后器件的眼圖。

圖10 Delta 摻雜的LED 器件在40 mA 的260 Mb/s 眼圖

3 結(jié)束語

隨著光效的提高和成本的降低，LED已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于信息顯示和各種功能性照明。可見光通信利用了LED相比傳統(tǒng)光源高光效和高響應(yīng)速率的特點(diǎn)，在照明的同時，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸功能。常規(guī)的白光LED器件調(diào)制帶寬通常只有3～5 MHz，制約了可見光通信系統(tǒng)帶寬的進(jìn)一步提高，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整材料和芯片的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化器件工藝參數(shù)，引入表面等離激元等新的輻射復(fù)合機(jī)制等方式能夠有效的提高LED器件調(diào)制帶寬，進(jìn)一步拓展可見光通信系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。