EEPW论坛

通过这种器件的尺寸设计来降低RC时间，从而改善LED调制带宽，是较为直观的一种方式。通过设计一组不同尺寸(结面积、p-GaN与结接触面积不同)的LED器件，研究尺寸对LED带宽的影响[4]。有源区面积越大的器件，在相同电流密度下，具有较小的调制带宽。其原因主要是因为等效结电容更大，而且电容增大对带宽的影响比电阻减小的效果更加显著。这个结果和台湾成功大学的J.-W. Shi等人[6]的结果一致。图4给出实验器件A与B在不同驱动电流下的频率响应曲线。A器件p-GaN与结接触面积更大。

图4 两种不同尺寸器件在多个驱动电流下的频率响应曲线

图4还反映了不同电流对LED带宽的影响，大电流下，载流子浓度增加，导致多量子阱内复合增强，载流子辐射复合寿命减小。

台湾清华大学的Chien-Lan Liao等人[12]利用掺镓(Ga)的氧化锌(ZnO)薄膜GZO，有效地降低了结电容。图5显示具有电流限制层的蓝光LED结构示意图。由于将p型的GaN层刻出台面，在p型上做电极，能减小有效电容。而且电极采用环形结构，利用横向电阻大的GZO薄膜，实现对电流限制作用，使得电流主要在垂直方向传输，即GZO实现了与氧化铟锡(ITO)相反的功能，抑制了电流的扩展。因此，实际的结电容将会变小，从而实现LED调制带宽的提高。通过这种环形电极设计，该器件的3 dB带宽达到225 MHz。

图5 采用GZO 作电流限制层的外延片结构

台湾中央大学的许晋玮等人[13]通过串联的方式也有效提高了LED调制速率，其出发点也是基于对RC时间的优化。假如N个相同的LED串联，电阻值将线性增加R总=N·R，而电容值线性降低C总=C/N。这样虽然RC时间没有发生变化。但是，一般器件都要外接负载，那么实际RC就是(N·R+R0)·C/N，因此，就小于单个相同面积LED的RC(RC+N·R0C)，从而可以有效提高调制带宽。

——回复可见内容——

图7 高速Tilted-charge LED 结构

图8 不同驱动电流IE 下的频率特性(电荷倾斜分布LED(25℃))

材料中的载流子复合机制包括辐射复合、非辐射复合。表面等离激元耦合是除了前面两者外第3种能量传递通道也能够影响辐射复合载流子寿命，提高LED调制带宽。

加州理工学院的Koichi Okamoto等人[17]首次在LED上利用表面等离激元，得到出光增加的效果。文献[18]给载流子复合发射光子提供了一条新的技术途径。如图9所示，载流子复合的能量转换有多个途径，包括辐射复合、非辐射复合以及量子阱-表面等离激元(QW-SP)耦合。非辐射复合不能产生光子，能量最终以热的形式耗散掉了;辐射复合能够产生光子，产生的光子有一部分能够溢出器件，逃逸出的光子数能通过外量子效率反映。图9中黑色箭头表示QW-SP耦合的可能形式。载流子复合后能量没有直接转换为光子，而是耦合到距离比较近(30 nm左右)的表面等离激元中(SP)，然后再以辐射的形式将能量放出到LED外面。这个过程的速度远比辐射复合能量转换速度快。490 nm波长下，差异明显减小，这个是由于QW-SP耦合波长在蓝光，因此长波长的位置，能量耦合减弱，差异减小。

图9 电子空穴复合时QW 与表面SP 耦合

通过Al组分调控[5]以及delta掺杂技术[19]，同样可以实现LED器件带宽的提高。Al组分调控，原理主要是改变能带结构，实现空穴的有效注入，调控极化电场，从而实现调制带宽的提高，300 mA工作电流下，带宽从23.5 MHz提高到25.5 MHz;Delta掺杂技术，实现了载流子的大量注入，从而降低了载流子寿命，实现相同电流密度下，调制带宽的提高。图10给出了delta掺杂后器件的眼图。

图10 Delta 掺杂的LED 器件在40 mA 的260 Mb/s 眼图

3 结束语

随着光效的提高和成本的降低，LED已经被广泛地应用于信息显示和各种功能性照明。可见光通信利用了LED相比传统光源高光效和高响应速率的特点，在照明的同时，实现无线数据传输功能。常规的白光LED器件调制带宽通常只有3～5 MHz，制约了可见光通信系统带宽的进一步提高，通过适当的调整材料和芯片的结构，优化器件工艺参数，引入表面等离激元等新的辐射复合机制等方式能够有效的提高LED器件调制带宽，进一步拓展可见光通信系统的应用范围。