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?；贚ED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)［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)［4-5］。系統(tǒng)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(xiàn)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(shù)，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(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［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) ［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(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［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***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 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。

　　***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(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

　　***中央大學的許晉瑋等人［13］通過串聯(lián)的方式也有效提高了LED調制速率，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制帶寬。

　　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，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。

　　圖6 不同電流對器件調制頻率的影響

　　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(fā)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(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，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(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(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(fā)光，從而提高了調制速度。

　　圖7 高速Tilted-charge LED 結構

　　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(fā)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。

　　圖8 不同驅動電流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(fā)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(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。

　　圖9 電子空穴復合時QW 與表面SP 耦合

　　通過Al組分調控［5］以及delta摻雜技術［19］，同樣可以實現(xiàn)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(xiàn)空穴的有效注入，調控極化電場，從而實現(xiàn)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(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(tǒng)光源高光效和高響應速率的特點，在照明的同時，實現(xiàn)無線數(shù)據傳輸功能。常規(guī)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(tǒng)帶寬的進一步提高，通過適當?shù)恼{整材料和芯片的結構，優(yōu)化器件工藝參數(shù)，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(tǒng)的應用范圍。