适用于可见光通信的LED器件

研究发光二极管（LED）器件调制特性以及在高速调制状态下的发光特性是提升新型可见光通信系统性能的关键问题之一，LED器件调制特性的提升可以显著拓展可见光通信系统的应用范围。基于LED器件的调频特性，通过分析发光器件和封装的结构及其他关键光电性能，提出建议：通过降低RC时间以及载流子自发辐射寿命，有效改善LED器件的响应速率，提高LED的调制带宽。 1 LED器件的调制带宽及其测试 带宽一般指信号所占据的频带宽度。当描述信道时，带宽指能够有效通过该信道信号的最大频带宽度。发光二极管（LED）的调制带宽则是器件在加载调制信号时，能承载信号最大的频带宽度，一般定义为LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值得一半时（如-3 dB）的频率定为LED的调制带宽。LED的调制带宽是可见光通信系统信道容量和传输速率的决定性因素，受到器件实际的调制深度、伏安特性等因素的多方面影响。 LED器件调制带宽的测试，通常都是对直流工作下的器件加载模拟信号（如正弦信号），测量光功率信号随频率变化的曲线，来确定带宽。 图1给出了一种器件调制特性测试系统[1-3]。它主要包括信号发射端和接收端。在发射端，信号发生器发出的信号被功率放大器放大，以提高其调制深度;随后，信号加载到驱动LED的直流偏置上，使得LED发出调制光信号;在接收端，光电探测器将光信号转换为电信号，经过滤波放大，输出到示波器上。

图1 器件调制特性测试系统组成
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图2 器件调制特性测试系统组成
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图2是另一种器件调制特性测试系统[4-5]。系统的核心是网络分析仪，它将信号产生、探测以及处理的功能集成在一起，能够实现更高频率的测试。测量LED调制带宽，主要关注网络分析仪的S21参数，即网络分析仪的端口2的输入功率/端口1的输出功率。 {pagination} 2 影响因素及改善方法 一般来说，影响LED调制特性的因素主要取决于以下两个方面[6]：RC时间和载流子自发辐射寿命。LED的有源区是多量子阱结构，具有电荷限制作用，在响应过程中的上升下降时间称为RC时间，主要受到结电容影响，对信号具有延迟作用;而器件有源区内载流子自发辐射寿命直接影响载流子从复合到光子逃逸出器件的时间。 2.1 降低RC时间 图3所示为LED的小信号等效电路[7]。这个小信号等效电路，实际上和阈值电压下的激光器的等效电路类似。因为在阈值电压下，激光器器件工作在自发辐射状态，受激发射过程还没有开始，所以LED也使用该等效电路[8-11]。

图3 LED 的小信号等效电路
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其中，C是结电容，RD是结电阻，RS是等效串联电阻，L为引线等引起的寄生电感。研究人员通过实验测量及理论拟合，可以得到这些对应的关键参数[7-8]。这里得到的电容和几何电容是一个量级的，电阻也和几何电阻相近。因此通过器件的尺寸设计可以有效调整等效电路参数进而提高器件带宽。 通过这种器件的尺寸设计来降低RC时间，从而改善LED调制带宽，是较为直观的一种方式。通过设计一组不同尺寸（结面积、p-GaN与结接触面积不同）的LED器件，研究尺寸对LED带宽的影响[4]。有源区面积越大的器件，在相同电流密度下，具有较小的调制带宽。其原因主要是因为等效结电容更大，而且电容增大对带宽的影响比电阻减小的效果更加显著。这个结果和台湾成功大学的J.-W. Shi等人[6]的结果一致。图4给出实验器件A与B在不同驱动电流下的频率响应曲线。A器件p-GaN与结接触面积更大。

图4 两种不同尺寸器件在多个驱动电流下的频率响应曲线
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图4还反映了不同电流对LED带宽的影响，大电流下，载流子浓度增加，导致多量子阱内复合增强，载流子辐射复合寿命减小。 台湾清华大学的Chien-Lan Liao等人[12]利用掺镓（Ga）的氧化锌（ZnO）薄膜GZO，有效地降低了结电容。图5显示具有电流限制层的蓝光LED结构示意图。由于将p型的GaN层刻出台面，在p型上做电极，能减小有效电容。而且电极采用环形结构，利用横向电阻大的GZO薄膜，实现对电流限制作用，使得电流主要在垂直方向传输，即GZO实现了与氧化铟锡（ITO）相反的功能，抑制了电流的扩展。因此，实际的结电容将会变小，从而实现LED调制带宽的提高。通过这种环形电极设计，该器件的3 dB带宽达到225 MHz。

图5 采用GZO 作电流限制层的外延片结构
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台湾中央大学的许晋玮等人[13]通过串联的方式也有效提高了LED调制速率，其出发点也是基于对RC时间的优化。假如N个相同的LED串联，电阻值将线性增加R_总=N·R，而电容值线性降低C_总=C/N。这样虽然RC时间没有发生变化。但是，一般器件都要外接负载，那么实际RC就是（N·R+R₀）·C/N，因此，就小于单个相同面积LED的RC（RC+N·R₀C），从而可以有效提高调制带宽。 {pagination} 2.2 降低载流子自发辐射寿命 可见光（VLC）通信系统一般都工作在大电流区域范围内，因此还需要研究不同电流下频率响应。图6是不同电流下，器件频率响应曲线。外加驱动电流越大，电光转换（E-O）的3 dB带宽也会越大[12-15]。从图6可以看出，120 mA下调制频率大约是40 mA下的2倍。主要因为激子复合几率正比于注入载流子密度[6]。大电流下，注入的载流子浓度增加，因而激子复合几率增加，辐射复合载流子寿命降低，E-O快速响应。

图6 不同电流对器件调制频率的影响
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影响载流子自发辐射寿命的因素很多，一般来说，外部因素主要是来源于注入载流子的浓度;而内部因素主要是由于器件自身的结构以及其他复合通道等。 伊利诺伊大学香槟分校的M. Feng等人[16]，通过一种类似异质结双极发光晶体管（HBLET）的LED将调制速率提高了一个量级，达到吉赫兹量级。HBLET是一种3端口发光器件（一个电输入端、一个电输出端、一个光输出端），器件中量子阱有源区合并到基区，提高了电学和光学的性质，而高速LED结构和HBLET相似。在60 mA驱动电流下，器件的E-O调制频率高达7 GHz，但是功率很小，大约仅为13.8 μW。图7为器件（n-p-n结构）的结构示意图，可以看到发射极接负电压，基极和集电极（这个也叫漏极Drain）接正极，这样发射结正偏，集电结反偏。因为基极和漏极同一电位，基极-漏极边界没有电荷分布积累，交流驱动下，在基区建立动态的发射极与漏极的电荷分布。因此，基区的过剩载流子自发辐射复合的寿命就大于从发射极到漏极的传输时间，使得载流子还没有来得及复合，就被内建反向电场扫到漏极，仅保留快速的载流子复合发光，从而提高了调制速度。

图7 高速Tilted-charge LED 结构
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图8给出了E-O的频率测试结果。调制频率非常高，并且随着电流的增加，调制速度提高，在60 mA时达到7 GHz。这个结果和塑料光纤发光二极管（POF-LED）结果相同。但是存在一个很大的问题是，器件的功率非常小，3 V的正向偏压下，驱动电流达到60 mA，所对应的光功率只有15 μW，完全不适用于照明LED，不过该工作也提供了一种改进大功率LED带宽的思路。

图8 不同驱动电流I_E 下的频率特性（电荷倾斜分布LED（25℃））
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材料中的载流子复合机制包括辐射复合、非辐射复合。表面等离激元耦合是除了前面两者外第3种能量传递通道也能够影响辐射复合载流子寿命，提高LED调制带宽。 加州理工学院的Koichi Okamoto等人[17]首次在LED上利用表面等离激元，得到出光增加的效果。文献[18]给载流子复合发射光子提供了一条新的技术途径。如图9所示，载流子复合的能量转换有多个途径，包括辐射复合、非辐射复合以及量子阱-表面等离激元（QW-SP）耦合。非辐射复合不能产生光子，能量最终以热的形式耗散掉了;辐射复合能够产生光子，产生的光子有一部分能够溢出器件，逃逸出的光子数能通过外量子效率反映。图9中黑色箭头表示QW-SP耦合的可能形式。载流子复合后能量没有直接转换为光子，而是耦合到距离比较近（30 nm左右）的表面等离激元中（SP），然后再以辐射的形式将能量放出到LED外面。这个过程的速度远比辐射复合能量转换速度快。490 nm波长下，差异明显减小，这个是由于QW-SP耦合波长在蓝光，因此长波长的位置，能量耦合减弱，差异减小。

图9 电子空穴复合时QW 与表面SP 耦合
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通过Al组分调控[5]以及delta掺杂技术[19]，同样可以实现LED器件带宽的提高。Al组分调控，原理主要是改变能带结构，实现空穴的有效注入，调控极化电场，从而实现调制带宽的提高，300 mA工作电流下，带宽从23.5 MHz提高到25.5 MHz;delta掺杂技术，实现了载流子的大量注入，从而降低了载流子寿命，实现相同电流密度下，调制带宽的提高。图10给出了delta掺杂后器件的眼图。

图10 Delta 掺杂的LED 器件在40 mA 的260 Mb/s 眼图
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3 结束语 随着光效的提高和成本的降低，LED已经被广泛地应用于信息显示和各种功能性照明。可见光通信利用了LED相比传统光源高光效和高响应速率的特点，在照明的同时，实现无线数据传输功能。常规的白光LED器件调制带宽通常只有3～5 MHz，制约了可见光通信系统带宽的进一步提高，通过适当的调整材料和芯片的结构，优化器件工艺参数，引入表面等离激元等新的辐射复合机制等方式能够有效的提高LED器件调制带宽，进一步拓展可见光通信系统的应用范围。 参考文献 　　[1] ED L. Visible Light Communication and Research on Its Key Techniques [J]. Semiconductor Optoelectronics， 2006，27（2）：114-117. 　　[2] ZHENG Y， ZHANG M. Visible Light Communications-Recent Progresses and Future Outlooks [C]//Proceedings of the 2010 Symposium on Photonics and Optoelectronics， 2010：1-6. 　　[3] 裴艳荣. 测试可见光通信系统中光源性能的装置：中国，201210579519.0[P].2013-3-27. 　　[4] PEI Y. LED Modulation Characteristics in a Visible-Light Communication System [J]. Optics and Photonics Journal， 2013，3（2）：139-142.