适用于可见光通信的LED器件 发光二极管, 载流子, 通信, 带宽, 光电

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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.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


图2器件调制特性测试系统组成

图2是另一种器件调制特性测试系统.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。

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：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.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.


图3 LED的小信号等效电路

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.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.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

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