適用于可見光通信的LED器件

　　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.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.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，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13.8μW.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15μW，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等人首次在LED上利用表面等離激元，得到出光增加的效果。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組分調控以及delta摻雜技術，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(jù)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。