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(nèi)，因此還需要研究不同電流下頻率響應(yīng)。圖6是不同電流下，器件頻率響應(yīng)曲線。外加驅(qū)動電流越大，電光轉(zhuǎn)換（E-O）的3 dB帶寬也會越大［12-15］。從圖6可以看出，120 mA下調(diào)制頻率大約是40 mA下的2倍。主要因為激子復(fù)合幾率正比于注入載流子密度［6］。大電流下，注入的載流子濃度增加，因而激子復(fù)合幾率增加，輻射復(fù)合載流子壽命降低，E- O快速響應(yīng)。

　　圖6 不同電流對器件調(diào)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(nèi)部因素主要是由于器件自身的結(jié)構(gòu)以及其他復(fù)合通道等。

　　伊利諾伊大學香檳分校的M. Feng等人［16］，通過一種類似異質(zhì)結(jié)雙極發(fā)光晶體管（HBLET）的LED將調(diào)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(zhì)，而高速LED結(jié)構(gòu)和HBLET相似。在60 mA驅(qū)動電流下，器件的E-O調(diào)制頻率高達7 GHz，但是功率很小，大約僅為13.8 μW。圖7為器件（n-p-n結(jié)構(gòu)）的結(jié)構(gòu)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(jié)正偏，集電結(jié)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(qū)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(fù)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(fù)合，就被內(nèi)建反向電場掃到漏極，僅保留快速的載流子復(fù)合發(fā)光，從而提高了調(diào)制速度。

　　圖7 高速Tilted-charge LED 結(jié)構(gòu)

　　圖8給出了E-O的頻率測試結(jié)果。調(diào)制頻率非常高，并且隨著電流的增加，調(diào)制速度提高，在60 mA時達到7 GHz。這個結(jié)果和塑料光纖發(fā)光二極管（POF-LED）結(jié)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(qū)動電流達到60 mA，所對應(yīng)的光功率只有15 μW，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(qū)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(fù)合機制包括輻射復(fù)合、非輻射復(fù)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(fù)合載流子壽命，提高LED調(diào)制帶寬。

　　加州理工學院的Koichi Okamoto等人［17］首次在LED上利用表面等離激元，得到出光增加的效果。文獻［18］給載流子復(fù)合發(fā)射光子提供了一條新的技術(shù)途徑。如圖9所示，載流子復(fù)合的能量轉(zhuǎn)換有多個途徑，包括輻射復(fù)合、非輻射復(fù)合以及量子阱-表面等離激元（QW-SP）耦合。非輻射復(fù)合不能產(chǎn)生光子，能量最終以熱的形式耗散掉了;輻射復(fù)合能夠產(chǎn)生光子，產(chǎn)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(fù)合后能量沒有直接轉(zhuǎn)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(fù)合能量轉(zhuǎn)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(fù)合時QW 與表面SP 耦合

　　通過Al組分調(diào)控［5］以及delta摻雜技術(shù)［19］，同樣可以實現(xiàn)LED器件帶寬的提高。Al組分調(diào)控，原理主要是改變能帶結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)空穴的有效注入，調(diào)控極化電場，從而實現(xiàn)調(diào)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(shù)，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(diào)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(jié)束語

　　隨著光效的提高和成本的降低，LED已經(jīng)被廣泛地應(yīng)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(yīng)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(diào)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{(diào)整材料和芯片的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化器件工藝參數(shù)，引入表面等離激元等新的輻射復(fù)合機制等方式能夠有效的提高LED器件調(diào)制帶寬，進一步拓展可見光通信系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。