適用于可見光通信的LED器件

朱石超+趙麗霞+楊華

中圖分類號：TN929.1 ? ?文獻標志碼：A ? 文章編號：1009-6868 （2014） 06-0029-004

摘要：認為研究發光二極管（LED）器件調制特性以及在高速調制狀態下的發光特性是提升新型可見光通信系統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的應用范圍。基于LED器件的調頻特性，通過分析發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輻射壽命，有效改善LED器件的響應速率，提高LED的調制帶寬。

關鍵詞：可見光通信;發光二極管;響應頻率;調制帶寬;照明

Abstract：?The electronic and optical frequency characteristics of LEDs are key issues in a VLC system. After investigating the effect of light source and its package on the performance of VLC system， we make the following proposal： the RC time and carrier spontaneous recombination time of the LEDs need to be decreased in order to improve the modulation bandwidth of LEDs. When the LED modulation characteristics are improved， the VLC system can be more widely applied.

Keywords：?visible light communication; light emission diodes; response frequency; modulation bandwidth; illumination

1 LED器件的調制帶寬

及其測試

帶寬一般指信號所占據的頻帶寬度。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[1-3]。它主要包括信號發射端和接收端。在發射端，信號發生器發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，經過濾波放大，輸出到示波器上。

圖2是另一種器件調制特性測試系統[4-5]。系統的核心是網絡分析儀，它將信號產生、探測以及處理的功能集成在一起，能夠實現更高頻率的測試。測量LED調制帶寬，主要關注網絡分析儀的S21參數，即網絡分析儀的端口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[6]：RC時間和載流子自發輻射壽命。LED的有源區是多量子阱結構，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;而器件有源區內載流子自發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[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輻射狀態，受激發射過程還沒有開始，所以LED也使用該等效電路[8-11]。

其中，C是結電容，RD是結電阻，RS是等效串聯電阻，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[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計可以有效調整等效電路參數進而提高器件帶寬。

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[4]。有源區面積越大的器件，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[6]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[12]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。而且電極采用環形結構，利用橫向電阻大的GZO薄膜，實現對電流限制作用，使得電流主要在垂直方向傳輸，即GZO實現了與氧化銦錫（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LED調制帶寬的提高。通過這種環形電極設計，該器件的3 dB帶寬達到225 MHz。

臺灣中央大學的許晉瑋等人[13]通過串聯的方式也有效提高了LED調制速率，其出發點也是基于對RC時間的優化。假如N個相同的LED串聯，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時間沒有發生變化。但是，一般器件都要外接負載，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制帶寬。

2.2 降低載流子自發輻射壽命

可見光（VLC）通信系統一般都工作在大電流區域范圍內，因此還需要研究不同電流下頻率響應。圖6是不同電流下，器件頻率響應曲線。外加驅動電流越大，電光轉換（E-O）的3 dB帶寬也會越大[12-15]。從圖6可以看出，120 mA下調制頻率大約是40 mA下的2倍。主要因為激子復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，因而激子復合幾率增加，輻射復合載流子壽命降低，E-O快速響應。

影響載流子自發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;而內部因素主要是由于器件自身的結構以及其他復合通道等。

伊利諾伊大學香檳分校的M. Feng等人[16]，通過一種類似異質結雙極發光晶體管（HBLET）的LED將調制速率提高了一個量級，達到吉赫茲量級。HBLET是一種3端口發光器件（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合并到基區，提高了電學和光學的性質，而高速LED結構和HBLET相似。在60 mA驅動電流下，器件的E-O調制頻率高達7 GHz，但是功率很小，大約僅為13.8 μW。圖7為器件（n-p-n結構）的結構示意圖，可以看到發射極接負電壓，基極和集電極（這個也叫漏極Drain）接正極，這樣發射結正偏，集電結反偏。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，交流驅動下，在基區建立動態的發射極與漏極的電荷分布。因此，基區的過剩載流子自發輻射復合的壽命就大于從發射極到漏極的傳輸時間，使得載流子還沒有來得及復合，就被內建反向電場掃到漏極，僅保留快速的載流子復合發光，從而提高了調制速度。

圖8給出了E-O的頻率測試結果。調制頻率非常高，并且隨著電流的增加，調制速度提高，在60 mA時達到7 GHz。這個結果和塑料光纖發光二極管（POF-LED）結果相同。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，驅動電流達到60 mA，所對應的光功率只有15 μW，完全不適用于照明LED，不過該工作也提供了一種改進大功率LED帶寬的思路。

材料中的載流子復合機制包括輻射復合、非輻射復合。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合載流子壽命，提高LED調制帶寬。

加州理工學院的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[18]給載流子復合發射光子提供了一條新的技術途徑。如圖9所示，載流子復合的能量轉換有多個途徑，包括輻射復合、非輻射復合以及量子阱-表面等離激元（QW-SP）耦合。非輻射復合不能產生光子，能量最終以熱的形式耗散掉了;輻射復合能夠產生光子，產生的光子有一部分能夠溢出器件，逃逸出的光子數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。載流子復合后能量沒有直接轉換為光子，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。這個過程的速度遠比輻射復合能量轉換速度快。490 nm波長下，差異明顯減小，這個是由于QW-SP耦合波長在藍光，因此長波長的位置，能量耦合減弱，差異減小。

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

3 結束語

隨著光效的提高和成本的降低，LED已經被廣泛地應用于信息顯示和各種功能性照明。可見光通信利用了LED相比傳統光源高光效和高響應速率的特點，在照明的同時，實現無線數據傳輸功能。常規的白光LED器件調制帶寬通常只有3～5 MHz，制約了可見光通信系統帶寬的進一步提高，通過適當的調整材料和芯片的結構，優化器件工藝參數，引入表面等離激元等新的輻射復合機制等方式能夠有效的提高LED器件調制帶寬，進一步拓展可見光通信系統的應用范圍。

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