適用于可見光通信的LED器件

　　研究發(fā)光二極管(LED)器件調制特性以及在高速調制狀態(tài)下的發(fā)光特性是提升新型可見光通信系統(tǒng)性能的關鍵問題之一，LED器件調制特性的提升可以顯著拓展可見光通信系統(tǒng)的應用范圍?；?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/LED">LED器件的調頻特性，通過分析發(fā)光器件和封裝的結構及其他關鍵光電性能，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器件的響應速率，提高LED的調制帶寬。

　　1 LED器件的調制帶寬及其測試

　　帶寬一般指信號所占據(jù)的頻帶寬度。當描述信道時，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)的調制帶寬則是器件在加載調制信號時，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的調制帶寬。LED的調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，受到器件實際的調制深度、伏安特性等因素的多方面影響。

　　LED器件調制帶寬的測試，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給出了一種器件調制特性測試系統(tǒng).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，以提高其調制深度;隨后，信號加載到驅動LED的直流偏置上，使得LED發(fā)出調制光信號;在接收端，光電探測器將光信號轉換為電信號，經(jīng)過濾波放大，輸出到示波器上。

　　圖1器件調制特性測試系統(tǒng)組成

　　圖2器件調制特性測試系統(tǒng)組成

　　圖2是另一種器件調制特性測試系統(tǒng).系統(tǒng)的核心是網(wǎng)絡分析儀，它將信號產(chǎn)生、探測以及處理的功能集成在一起，能夠實現(xiàn)更高頻率的測試。測量LED調制帶寬，主要關注網(wǎng)絡分析儀的S21參數(shù)，即網(wǎng)絡分析儀的端口2的輸入功率/端口1的輸出功率。

　　2影響因素及改善方法

　　一般來說，影響LED調制特性的因素主要取決于以下兩個方面：RC時間和載流子自發(fā)輻射壽命。LED的有源區(qū)是多量子阱結構，具有電荷限制作用，在響應過程中的上升下降時間稱為RC時間，主要受到結電容影響，對信號具有延遲作用;而器件有源區(qū)內載流子自發(fā)輻射壽命直接影響載流子從復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.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.

　　圖3 LED的小信號等效電路

　　其中，C是結電容，RD是結電阻，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，可以得到這些對應的關鍵參數(shù).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計可以有效調整等效電路參數(shù)進而提高器件帶寬。

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

　　圖4兩種不同尺寸器件在多個驅動電流下的頻率響應曲線

　　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，導致多量子阱內復合增強，載流子輻射復合壽命減小。

　　臺灣清華大學的Chien-Lan Liao等人利用摻鎵(Ga)的氧化鋅(ZnO)薄膜GZO，有效地降低了結電容。圖5顯示具有電流限制層的藍光LED結構示意圖。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)形結構，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，抑制了電流的擴展。因此，實際的結電容將會變小，從而實現(xiàn)LED調制帶寬的提高。通過這種環(huán)形電極設計，該器件的3 dB帶寬達到225 MHz.

　　圖5采用GZO作電流限制層的外延片結構