GaA lAs紅外發光二極管RTS噪聲測試方法研究*

楊　建，呂　瀚，陳志高（中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），武漢430071）

GaA lAs紅外發光二極管RTS噪聲測試方法研究*

楊建*，呂瀚，陳志高
（中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），武漢430071）

提出了一種GaAlAs紅外發光二極管自動溫控RTS（Random Telegraph Signal）噪聲測試新方法。通過分析GaAlAs IRLED的RTS噪聲產生機理及特性，建立了GaAlAs IRLED的RTS噪聲模型，設計了自動溫控噪聲測試系統。實驗結果表明，該方法能準確的測量GaAlAs IRLED的RTS噪聲，得到與噪聲模型一致的結果，為GaAlAs IRLED可靠性的噪聲表征提供了實驗與理論依據。

RTS噪聲；紅外發光二極管；噪聲模型；氧化層陷阱；自動溫控

以GaAlAs雙異質結紅外二極管（IRED）是一種電光轉換器件，在一定的正向電流驅動下，發射出峰值波長8 500?～8 800?的近紅外光。該波長適合于光導纖維在這一頻段（λ=0.8μm～0.9μm）中損耗低的要求，有利于短波長的光纖通信，其可靠性問題也越來越受到關注。近來的實驗結果表明，LED的低頻噪聲隨著輸入電流的增加而以不同的規律增大［1］。此外，大量研究結果也顯示，LED的RTS噪聲與其可靠性有直接的關系，相比傳統的電參數而言，RTS噪聲能更加敏感地表征起其可靠性。

本文提出了一種RTS噪聲檢測的方法，該方法基于載流子數漲落和遷移率漲落機制，通過深入分析GaAlAs雙異質結紅外二極管低頻噪聲的產生機理，建立了GaAlAs IRED的RTS噪聲模型，設計了一套RTS噪聲測試系統。在輸入電流寬范圍變化的條件下，測試了GaAlAs雙異質結紅外二極管的RTS噪聲，該方法能準確地獲取GaAlAs IRED的RTS噪聲，研究結果為該類器件的可靠性表征提供實驗和理論依據。

1　RTS噪聲特性與模型

GaAlAs IRED的低頻噪聲噪聲通常表現為1/f噪聲、g-r噪聲、白噪聲和RTS噪聲等的疊加，一般認為RTS噪聲與邊界陷阱之間具有顯著的相關性，不同的邊界陷阱產生的RTS噪聲各不相同。大量研究表明，RTS噪聲在一個相當寬的頻率范圍內，噪聲電壓或電流的功率譜密度近似與通過器件的電流的平方成正比［2］。利用RTS噪聲不僅可以確定陷阱的深度和能級以及陷阱的俘獲截面和散射截面，還可以確定陷阱在溝道中的位置。

因此，要利用RTS噪聲來分析邊界陷阱，需3步：首先，建立準確的RTS=噪聲物理-數學模型；其次，精確地提取RTS噪聲及其特征；最后，有效的RTS噪聲陷阱分析方法。RTS噪聲主要有2個參數：俘獲時間常數τc和發射時間常數τe以及噪聲幅度［3］。當器件尺寸進入深亞微米乃至納米范圍時，RTS噪聲絕對幅度非常小，約為10-9A。單個陷阱的τc和τe可表示為，

式中，n、σ0和νth分別為電子濃度、陷阱對電子的平均俘獲截面和電子的平均熱速度；ΔEb為激活能，K和T分別為玻爾茲曼常數和絕對溫度，g為簡并因子，Ef為費米能級，Et為陷阱能級，Ec為平衡條件下陷阱能級被載流子占據的概率，所以單個陷阱俘獲和發射載流子引起溝道電流漲落的功率譜密度［4］為，

式中，ΔI為RTS噪聲電流幅值。由此可見，RTS的頻譜為洛倫茲譜，這是其主要的頻譜特征。RTS噪聲在時域和頻域的識別標準圖如圖1所示。

圖1　RTS噪聲的時域波形和頻譜圖

由式（1）～式（3）及圖1可以看出，通過建立RTS噪聲模型，用數學的方法表示了RTS噪聲與邊界陷阱的關系，使得二者之間建立了必要的聯系。同時，在后續的測試過程中，噪聲模型可為實驗數據的分析提供可靠的參考標準，依據建立的模型，可以得出實驗的噪聲數據中是否含有RTS噪聲成份，使得實驗結果的正確性得到了保障。

2　RTS噪聲測試系統

測量RTS噪聲的方法之一是把波動的電流通過大的負載電阻轉換成電壓，電壓中很小的波動成分被數字頻譜分析儀數字化。一般情況下，RTS噪聲的測量是通過用戶自己將所需設備進行組合［5］。比如低噪聲能源、電流電壓轉換器、示波器或者電壓采樣器。然而，這些測試系統由于是由不同儀器組建而成，使得整個系統難以校準，所以很難取得穩定一致的測試結果。

傳統的測試系統是由偏置電路、待測器件、前置放大器、虛擬儀器和打印機構成，其整體系統框圖如圖2所示。

圖2　傳統RTS噪聲測量系統框圖

我們看到，傳統的測試系統中，對偏置電路、PARC113及虛擬儀器的要求很高。傳統測試系統的偏置電路激發噪聲的能力較弱，前置放大器的精度低，背景噪聲大；虛擬儀器部分，數據采集卡的精讀要高，采集速度要快，雖然可通過精準選型解決，但是要與分析軟件LabVIEW配合使用，很容易出現問題，使其很難達到所要求的測試精度。

為了獲得穩定一致的測試結果，本文采用精密電子器件參數測試儀Agilent4156 C作為直流電壓源通過低通濾波器給被測GaAlAs IRED提供偏壓，采用SR570低噪聲前置放大器對噪聲信號放大，最后采用Agilent35670A動態信號分析儀對放大后的噪聲信號進行快速傅里葉變換FFT，得到噪聲功率譜密度。通過Sagittarius控制器、Agilent B1530A模塊及遙控感應單元RSU（Remote Sense Unit）組合，其中Sagittarius平臺中帶有自控溫度控制模塊，可以控制整個測試環境的溫度［6］。這個新型的測量系統就可以準確、高效地完成工業生產中所需要的RTS噪聲的測試和分析，系統構建及器件連接示意圖如圖3所示。

圖3　GaA lAs IRED的RTS噪聲自動溫控測量系統

在RTS噪聲測試中，GaAlAs IRED偏置電路的設計是一個重要的問題。它有一個對外窗口用于透過紅外光，噪聲測試時需加保護蓋避免外界溫度變化對器件噪聲性能的影響。實際使用時紅外探測器需要外加偏置電壓，每個器件有3個對外引腳，分別是正偏壓輸入引腳、負偏壓輸入引腳和信號輸出引腳。為了對該類器件低頻噪聲進行準確測試，按照器件的實際應用方式，采用圖4電路進行噪聲測試偏置。被測的GaAlAs IRED安裝在適配器測試插座上，通過開關設置，實現被測器件熱噪聲、總噪聲等不同測試狀態；被測器件各種測試狀態下的噪聲經過交流耦合送入低噪聲前置放大器；經過第二級放大及濾波后的噪聲信號送入噪聲采集與分析系統進行采集及噪聲特性的頻域-時域分析，以確定其噪聲參數［7］。其電路原理圖如圖4所示。

圖4　GaA lAs IRED偏置電路的電路原理圖

3　測試結果與討論

基于上述方法，首先針對本文所設計的測試系統進行系統精度的測試。由于新系統中的偏置電路、控制、測試平臺與傳統的設計方法不同，是自動化測量儀器，這些儀器雖具有很高的直流精度和分辨率，但其內部使用了由MOS器件構成的有源反饋電路，這將會不可避免地在測量中引入誤差。考慮到被測樣品為要進行RTS噪聲測試，而且噪聲信號幅度小于10-6V，所以，新系統的設計的偏置電路使用了噪聲抑制手段，將引入的背景噪聲降到最低［8］。此外，測試過程中，為了防止外界信號對測量系統產生干擾，除計算機外的所有測量系統均置于實驗屏蔽暗箱中，測試溫度均在自動控制的室溫下進行。其背景噪聲水平測試結果如圖5（a）所示，同時，圖5（b）給出了傳統系統的背景噪聲測試結果。

圖5　測試系統的背景噪聲

由圖5可以看到，該新測量系統的背景噪聲遠遠小于待測RTS噪聲的強度，大約小兩個數量級，這證明設計的RTS噪聲測量系統可行，可用于GaAlAs IRED的RTS噪聲測試。同時，由圖5（b）也可以看出，傳統系統的背景噪聲比較大，在測試的過程中會淹沒掉待測的噪聲，因此，新系統的性能要遠遠優于傳統系統。與Agilent動態信號分析儀進行對比測試，可知該系統測試精度在4.8%以內，滿足測試要求。其實驗結果如表1、表2所示。

表1　頻率不確定度測試結果

表2　幅度不確定度測試結果

對于RTS噪聲測量和分析，首先要利用噪聲測試平臺測量獲取樣品器件的RTS噪聲時間序列，將時間序列進行量化存儲；然后利用時間特征和幅度特征的分析方法對RTS信號進行分析，得到兩組重要的參數：一組為τc和τe，另一組為噪聲幅度ΔI。針對實測RTS噪聲的特征，利用干擾信號的統計學特征，采用統計的方法以減小和消除干擾信號對測量結果的影響［9］。在時間參數的提取中，先利用濾波處理，搜索得出RTS噪聲的上升和下降邊沿。然后，利用時間參數的指數分布，對其進行擬合得出時間常數，從而消除量化帶來的誤差。在幅度的提取中，先對濾波輸出的幅度進行統計，再根據干擾信號的統計學分布，對其進行擬合以消除干擾對幅度提取造成的誤差，從而得出RTS噪聲幅度參數［10］。當抽樣頻率為10 K時，系統自動測量并識別出的RTS噪聲數據如圖6所示。

圖6　測試系統的背景噪聲

4　結論

本文提出了一種GaAlAs IRLED的RTS噪聲的測量方法，并在此基礎上建立了GaAlAs IRLED器件的RTS噪聲測試系統，通過對GaAlAs IRLED的RTS噪聲的模型的建立，給出了其RTS噪聲參數的提取過程。實際測量表明，實驗結果與模型符合很好。與傳統RTS噪聲測試系統和參數提取算法相比，在輸入電流寬范圍變化的條件下，本文所提出的系統具有更好的測量靈敏度、抗干擾能力和可重測性，精度更高，功能更強。此研究結果為該類器件的可靠性表征提供實驗和理論依據。

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楊建（1981-），男，漢族，碩士，工程師。研究方向為主要從事低頻噪聲測量、通信信號處理與地震預警監測儀器設計，yj1981011@163.com。

RTSNoise Measurement Method in GaA lAs IRED*

YANG Jian*，LüHan，CHEN Zhigao
（Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071，China）

A new RTSnoise testmethod of GaAlAs infrared light-emitting diodes automatic temperature control is proposed.By analyzing the RTS noise generating mechanism and characteristic of GaAlAs IRLED，the GaAlAs IRLED RTSnoisemodel isestablished and automatic temperature controlnoise testsystem is designed.The experimental results show that themethod can accuratelymeasure GaAlAs IRLED RTSnoise，results are consistentwith the noisemodel that provides reliability of the noise characterization of experimental and the theoretical basis for GaAlAs IRLED.

RTSnoise；IRED；noisemodel；oxide traps；auto temperature control

TN36；TN386.1

A

1005-9490（2016）04-0764-04

項目來源：中國地震局地震研究所基金項目（IS20136001）

2015-09-04修改日期：2015-10-08

EEACC:7230G；7320E10.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.003