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的方式也有效提高了LED調制速率，其出發點也是基于對RC時間的優化。假如N個相同的LED串聯，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降低載流子自發輻射壽命

　　可見光(VLC)通信系統一般都工作在大電流區域范圍內，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合并到基區，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，在基區建立動態的發射極與漏極的電荷分布。因此，基區的過剩載流子自發輻射復合的壽命就大于從發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，實現空穴的有效注入，調控極化電場，從而實現調制帶寬的提高，300 mA工作電流下，帶寬從23.5 MHz提高到25.5 MHz;delta摻雜技術，實現了載流子的大量注入，從而降低了載流子壽命，實現相同電流密度下，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相比傳統光源高光效和高響應速率的特點，在照明的同時，實現無線數據傳輸功能。常規的白光LED器件調制帶寬通常只有3～5 MHz，制約了可見光通信系統帶寬的進一步提高，通過適當的調整材料和芯片的結構，優化器件工藝參數，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的應用范圍。