可見光通信中GaN-LED PN結面積對調制帶寬的影響機理

周 政，繆文南，李 亞，龍曉燕，李 健

(1.華南理工大學 廣州學院 電子信息工程學院，廣東 廣州 510800；2.中山大學 電子信息與工程學院，廣東 廣州 510275)

1 引 言

在過去20年來，隨著III族氮化物LED技術的進步，LED的光波波長覆蓋了全部的可見光波段。目前，科研機構和照明公司正著力于設計和研制具有更高萃取效率的LED芯片并量產化，進一步提高LED器件的光效，降低成本，加快LED照明“千城萬盞”計劃的實現[1]。GaN-LED具有使用壽命長、光效高、無電磁輻射危害和維護成本低等優點，因此，GaN-LED被認為是新一代的照明光源[2]。

除了作為照明光源，利用LED發光時發出肉眼覺察不到的高速明暗閃爍信號進行無線通信，即新型的可見光通信，也引起了許多研究人員的興趣。可見光通信通過將需要傳輸的數據加載到LED光源上并進行調制，讓信息隨可見光(380～780 nm)在自由空間中傳輸，另一端的光電接收器接收到光并將光信號轉變成電信號，即可實現信息的無線傳輸。可見光通信與其他無線通信(RF、毫米波和光波)相比，具有許多獨特的優點：無電磁干擾，采用可見光作為信息載體，不會干擾采用電磁頻譜通信的電子設備，如飛機、醫療設備、導航系統等；頻譜資源豐富，比射頻頻譜資源多10 000倍，且無需申請即可使用；無電磁輻射；信息傳輸安全可靠，因為光無法穿透墻壁等實體建筑，因此所傳輸的信息在密閉空間內無泄露的風險[3]。

LED器件的調制帶寬(-3 dB)能夠衡量LED的調制能力，直接關系到可見光通信系統的信道傳輸容量和傳輸速率，是衡量LED通信性能的一個重要參數和關鍵指標。如何提升LED器件的調制帶寬，是實現LED器件高速通信的關鍵技術之一。目前，商業化的白光LED光源一般采用在藍光LED芯片上涂覆Ce∶YAG熒光粉得到白光，而YAG熒光粉的響應速度很低，LED的調制帶寬非常低，只有幾MHz，低的調制帶寬限制了LED在可見光通信系統中的應用和發展。因此，研究人員采取多種方法來提高LED的調制帶寬。Huang等采用藍色過濾片濾掉響應慢的黃光部分，從而將LED的-3 dB調制帶寬從10 MHz提高到60 MHz[4]。縮小LED的PN結面積即構造μLED 提高調制帶寬。McKendry等構造直徑從14～84 μm的GaN 基μLED陣列，使 μLED的調制帶寬大于400 MHz[5]。Liao等研制了一個帶有摻雜鋁的氧化鋅電流環繞孔徑的藍光μLED，可以實現225 MHz的調制帶寬[6]。Wun等提出了一種發光波長在500 nm，尺寸為50 μm的μLED，其調制帶寬約為400 MHz[7]。構造具有等離子效應的LED，利用等離子共振效應縮短載流子的壽命，從而提高LED的響應速度及調制帶寬。Guina等設計了一個位于光腔內并與LED的量子井發射波長共振的共鳴腔LEDs(RCLEDs)，使LED的調制帶寬達200 MHz[8]。Shi等在量子阱厚度僅為5 nm且無摻雜的情況下使LED的3 dB帶寬高達1 GHz[9]。

縮小LED的PN結面積能獲得較大的調制帶寬，為了詳細研究LED器件的PN結面積對LED調制帶寬的影響機理，本文設計了3組不同PN發光面積的LED芯片Ⅰ組200 μm×800 μm，Ⅱ組300 μm×900 μm 和Ⅲ組300 μm×1200 μm。將芯片倒裝封裝成LED器件，通過測量這3組器件的光電特性和調制特性，比較3組LED器件 的電容曲線，研究LED調制帶寬的關鍵影響因素，對研制高調制帶寬的LED器件有借鑒意義。

2 實驗裝置

2.1 LED芯片工藝及結構

本文共設計了3組不同PN結面積的LED芯片并倒裝封裝成LED器件。具體的芯片工藝流程參考文獻[10]。芯片倒裝封裝過程參考文獻[11]。3組LED芯片形貌如圖1所示。

(a)200 μm×800 μm

(b)300 μm×900 μm

(c)300 μm×1 200 μm

2.2 LED調制特性測試系統

LED器件在可見光通信中的調制特性測試系統如圖2所示。系統由網分儀(ROHDE & SCHWARZ ZNB8)，放大器，偏置樹(mini-circuits ZX85-12 G+)，LED直流電源(臺灣茂迪LPS-305)和PIN 光電探測器(THOR-LABS APD210)組成。測試過程為：網絡分析儀首先產生一個正弦信號，經過偏置樹(bias-tree)加載到LED光源上，LED在直流電源偏置下發光，加載了信號的可見光在自由空間傳播。另一端的光電探測器(PIN)接收到光，并把光信號轉化成相應的電信號輸入到網絡分析儀。網絡分析儀根據輸出輸入信號的功率衰減程度，得到LED的調制帶寬[9]。

圖2 LED器件的調制特性測試系統Fig.2 Measuring system of modulation bandwidth of LEDs

3 實驗結果與分析

3組LED在偏置電流I=10 mA時的發光情況和相應的電致發光光譜如圖3所示，3組LED的峰值波長均在454 nm。

(a)偏置電流為10 mA時LED發光的照片(a)Optical microscope images of three LEDs being operated at I=10 mA

(b)發光光譜(b)Electroluminescence spectra of three LEDs圖3 三組LED器件的電致發光Fig.3 Electroluminescence of three LEDs

3組LED器件的電流-電壓曲線(I-V)如圖4所示。結果顯示，3組LED器件的開啟電壓與工作電壓(@20 mA)均與LED的PN結面積成反比。LED的PN結面積越小，在相同的偏置電流下，具有更大的電流密度，從而導致LED芯片的結溫更高。而LED芯片的結溫與開啟電壓與工作電壓成正指數相關，因此具有較小面積的LED器件具有較大的開啟電壓和工作電壓[12]。

3組LED的光功率采用積分球(HAAS 2000)測試，測試結果如圖5所示。隨著偏置電流的逐漸增大，3組LED器件的光功率也逐漸增大。當偏置電流為170 mA時，3組LED的最大的光功率依次為188.6，220.2和251.4 mW。對于PN結面積較大的兩組LEDII和LEDIII，偏置電流和光功率之間具有良好的線性關系。而對于PN結面積較小的LEDI，當偏置電流增大到110 mA時，光功率明顯下降。導致這種現象的原因可能是：當LED PN結面積較大時，在同樣的偏置電流下，LED擁有較小的電流密度，有效緩解了電流的擁擠效應和器件的熱效應，提升器件的光電性能[13-14]。

圖4 三組LED的I-V曲線Fig.4 I-V curves of three LEDs

圖5 三組LED器件的電流-光功率曲線Fig.5 Current-power curves of three LEDs

調制帶寬定義一般分為電帶寬和光帶寬兩種。當器件的輸出交流光功率下降至某一低頻參考值的一半時，即幅值下降至最大值的二分之根號二倍時對應的頻帶寬度定義為器件的電帶寬(-3 dB)。當幅值下降至最大值的一半時，對應的頻帶寬度定義為器件的光帶寬(-6 dB)，如圖6所示。在可見光通信中，LED的調制帶寬經常采用電帶寬(-3 dB)[15]。

圖6 LED調制帶寬Fig.6 LED’s bandwidth

三組器件的-3 dB調制帶寬測試結果如圖7所示。當偏置電流逐漸增大到170 mA時，PN結面積最小的LEDI具有最高的調制帶寬49.85 MHz；而面積較大的兩組器件LED II和LED III具有較小的調制帶寬，分別為19.1 MHz和25 MHz。

圖7 三組LED器件的-3 dB調制帶寬Fig.7 Modulation bandwidth at -3 dB of three LEDs

LED器件調制帶寬的影響因素一般有兩種：一種是由載流子輸運效應引起的電阻電容時間常數(RC)；另一種是載流子的壽命。LED的偏置電流越高，LED芯片上的電流密度越高，較高的電流密度大幅提高了載流子的復合效率，減少了載流子的壽命，從而使LED的調制帶寬在較高的偏置電流下具有較高的調制帶寬[16-18]。

如果LED器件的PN結面積較大，它具有較大的結電阻和結電容，因此，RC時間常數常為器件調制帶寬的主要影響因素[19-21]，且調制帶寬f與RC常數的關系為：

(1)

式中：R代表LED器件的電阻，C代表LED器件的電容。為了證明LED器件的電容對調制帶寬的影響并分析LED器件電容的組成，測試了3組LED器件的電容-電壓曲線，如圖8所示(圖中紅框代表器件導通之后的有效電容，彩圖見期刊電子版)。

圖8 三組器件的C-V曲線(f=1 MHz)Fig.8 C-V curves of three LEDs (f=1 MHz)

結果顯示，構成LED的電容C一部分是由于耗盡層區域的空間電荷引起的結電容，還有一部分來源于器件封裝，LED驅動電路和實驗裝置等產生的寄生電容[22-23]。當LED器件處于反向偏置區域時，結電容占主導地位，而結電容與器件的PN結面積成正比。當LED器件處于正向偏置時，剛開始偏置電壓較低，LED處于截止充電狀態，耗盡層寬度逐漸減小，結電容逐漸增大直到峰值。當偏置電壓繼續增大，LED導通，由于載流子的復合，LED的有效電荷量減少，使電容降低，最后逐漸趨于穩態。從圖8可以看出，雖然LEDⅡ的PN結面積較小于LEDⅢ，但是它在工作區域的總電容略大于LEDⅢ。LEDⅡ具有較大的寄生電容，從而導致LEDⅡ的調制帶寬略低于LEDⅢ。如何通過優化LED倒裝結構及LED驅動電路等參數，大幅度減少LED器件的寄生電容，有待進一步研究。

4 結 論

本文研究了3組不同尺寸Ⅰ組200 μm×800 μm、Ⅱ組300 μm×900 μm和Ⅲ組300 μm×1 200 μm藍光LED器件的光電特性和調制特性，分析并驗證了電容對LED器件調制帶寬的影響。當偏置電流為170 mA時，3組LED器件的光功率依次為188.6，220.2和251.4 mW，-3 dB調制帶寬分別為49.85，19.1，25 MHz。可以看出，LEDI PN結面積最小，器件具有最小的電容，從而使其調制帶寬最高。LEDⅡ相對LEDⅢ的PN結面積較小，但是由于封裝、測試電路等引起的寄生電容較大，它的調制帶寬低于LEDⅢ，證明了寄生電容對LED器件調制帶寬的影響，為設計高帶寬的LED光源具有借鑒意義。