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提升可見光通信系統(tǒng)性能,發(fā)展LED器件才是“硬道理”

發(fā)布時間:2015-01-09 責任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】提升新型可見光通信特性系統(tǒng)性能的關(guān)鍵在于研究發(fā)光二極管期間的調(diào)制特性,并著重研究在高速調(diào)制狀態(tài)下的發(fā)光特性。經(jīng)研究表明,提升LED器件的調(diào)制特性能夠有效地拓展可見光通信系統(tǒng)地范圍。

基于LED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)。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。

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圖1 器件調(diào)制特性測試系統(tǒng)組成
提升可見光通信系統(tǒng)性能,發(fā)展LED器件才是“硬道理”
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)。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。
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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: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。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。

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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)。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。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)果和臺灣成功大學的J.-W. Shi等人的結(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。

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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,載流子輻射復(fù)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(jié)電容。圖5顯示具有電流限制層的藍光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帶寬達到225 MHz。

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圖5 采用GZO 作電流限制層的外延片結(jié)構(gòu)
 
臺灣中央大學的許晉瑋等人通過串聯(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。
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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。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。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)。

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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。

伊利諾伊大學香檳分校的M. Feng等人,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),提高了電學和光學的性質(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。

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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大功率LED帶寬的思路。

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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。

加州理工學院的Koichi Okamoto等人首次在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(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耦合波長在藍光,因此長波長的位置,能量耦合減弱,差異減小。

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圖9 電子空穴復(fù)合時QW 與表面SP 耦合
 
通過Al組分調(diào)控以及delta摻雜技術(shù),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。

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

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