GaAlAs紅外發(fā)光二極管低頻噪聲檢測(cè)方法*

熊建國(guó)，趙 華，黃貽培，楊代強(qiáng)，陳志高

（1.重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，重慶402160；2.河北師范大學(xué)電子工程系，石家莊050024；3.中國(guó)地震局地震研究所（地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），武漢430071；4.重慶科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，重慶402160）

GaAlAs紅外發(fā)光二極管低頻噪聲檢測(cè)方法*

熊建國(guó)1，趙 華2，黃貽培1，楊代強(qiáng)1，陳志高3，4*

（1.重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，重慶402160；2.河北師范大學(xué)電子工程系，石家莊050024；3.中國(guó)地震局地震研究所（地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），武漢430071；4.重慶科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，重慶402160）

通過(guò)分析GaAlAs紅外發(fā)光二極管（IRED）的低頻噪聲產(chǎn)生機(jī)理及特性，建立了GaAlAs IRED的噪聲模型，設(shè)計(jì)了一套低頻噪聲測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)測(cè)量得到了GaAlAs IRED的低頻噪聲。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能準(zhǔn)確的測(cè)量GaAlAs IRED的低頻噪聲，發(fā)現(xiàn)其低頻噪聲主要表現(xiàn)為1/f噪聲，得到與噪聲模型一致的結(jié)果。該研究為GaAlAs IRLED可靠性的噪聲表征提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與理論依據(jù)。

低頻噪聲；紅外發(fā)光二極管；噪聲模型；氧化層陷阱

以GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)紅外二極管（IRED）是一種電光轉(zhuǎn)換器件，在一定的正向電流驅(qū)動(dòng)下，發(fā)射出峰值波長(zhǎng)850nm～880nm埃的近紅外光。該波長(zhǎng)適合于光導(dǎo)纖維在這一頻段（λ=0.8 μm～0.9 μm）中損耗低的要求，有利于短波長(zhǎng)的光纖通信，其可靠性問(wèn)題也越來(lái)越受到關(guān)注。近來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LED的低頻噪聲隨著輸入電流的增加而以不同的規(guī)律增大［］。此外，大量研究結(jié)果也顯示，LED的低頻噪聲與其可靠性有直接的關(guān)系，相比傳統(tǒng)的電參數(shù)而言，低頻噪聲能更加敏感地表征出其可靠性。

提出了一種低頻噪聲測(cè)量LFNM（Low Frequency Noise Measurement）無(wú)損檢測(cè)的方法，該方法基于載流子數(shù)漲落和遷移率漲落機(jī)制，深入分析了GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)紅外二極管低頻噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，建立了GaAlAs IRED的噪聲模型，設(shè)計(jì)了一套低頻噪聲測(cè)試系統(tǒng)。在輸入電流寬范圍變化的條件下，測(cè)試了GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)紅外二極管的低頻噪聲，該方法能準(zhǔn)確地獲取GaAlAs IRED的低頻噪聲，且研究結(jié)果為低頻噪聲表征該類(lèi)器件的可靠性提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 GaAlAs IRED的低頻噪聲特性與模型

GaAlAs IRED的低頻噪聲通常表現(xiàn)為1/f噪聲、g-r噪聲、白噪聲等的疊加，一般認(rèn)為1/f噪聲主要是由表面載流子數(shù)漲落引起的。大量研究表明，1/f噪聲在一個(gè)相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)，其功率譜密度與頻率成反比，且噪聲電壓或電流的功率譜密度近似與通過(guò)器件的電流的平方成正比。

建立GaAlAs IRED的噪聲模型，即把可以影響GaAlAs IRED低頻噪聲的參數(shù)疊加取平均，用以來(lái)表示其噪聲參數(shù)模型。其低頻噪聲通常表現(xiàn)為1/f噪聲、g-r噪聲、白噪聲等的疊加，式（1）為它的功率譜密度［4］。

式中：A是白噪聲值；B是1/f噪聲幅值；α為1的常數(shù)；Ci表示g-r噪聲的幅度；foi為第i個(gè)g-r噪聲的轉(zhuǎn)折頻率；N為g-r噪聲的量度。因而，功率GaAlAs IRED能否正常工作，可通過(guò)其噪聲表現(xiàn)來(lái)判斷，GaAlAs IRED的低頻噪聲頻譜及其擬合曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 低頻噪聲頻譜及其擬和曲線(xiàn)

2 互譜測(cè)量法與測(cè)量系統(tǒng)

2.1 低頻噪聲測(cè)量方法

雙通道互譜噪聲測(cè)量技術(shù)的利用兩個(gè)隨機(jī)信號(hào)的非相關(guān)性，通過(guò)相關(guān)性計(jì)算消除這兩個(gè)隨機(jī)信號(hào)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。根據(jù)相關(guān)性的理論，假設(shè)有兩組隨機(jī)過(guò)程函數(shù)Rx及Ry，它們之間的相關(guān)性可以表示為：

若兩個(gè)隨機(jī)過(guò)程互不相關(guān)，則一定有互相關(guān)函數(shù)為零。根據(jù)維納辛欽定理可以知道功率譜密度是其相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，這也就可以證明其互功率譜也為零。利用該特點(diǎn)當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)自身噪聲之間不存在相關(guān)性時(shí)，可采用互相關(guān)方法抑制系統(tǒng)噪聲。基于以上理論設(shè)計(jì)了雙通道噪聲測(cè)量方案，相對(duì)于單通道測(cè)量方法降低了系統(tǒng)的背景噪聲，提高了低頻噪聲測(cè)量的精度。

圖2中放大器1、2輸出的放大信號(hào)為：

其中c(t)表示待測(cè)器件產(chǎn)生的噪聲和兩個(gè)放大器的等效輸入電流噪聲放大后的信號(hào)，ui(t)表示第i個(gè)測(cè)量放大器的等效輸入電壓噪聲。對(duì)輸出的值在時(shí)域上進(jìn)行加減運(yùn)算可以得到：

兩個(gè)測(cè)量放大器采用的是單獨(dú)供電電源，可以認(rèn)為c(t)，u1(t)，u2(t)互不相關(guān)。然后對(duì)a(t)和b(t)求功率譜密度可以得到：

Si(f)表示i(t)的功率譜密度函數(shù)。

通過(guò)測(cè)量?jī)陕份敵鲂盘?hào)的功率譜，然后相減再除以4即可求出待測(cè)器件的噪聲功率譜密度函數(shù)。這個(gè)方法可以在不改善放大器自身噪聲的基礎(chǔ)上，利用噪聲的非相關(guān)性原理在一定程度上減低放大器噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高測(cè)試精度。

圖2 雙通道互譜噪聲測(cè)量系統(tǒng)

2.2 低頻噪聲測(cè)量系統(tǒng)

針對(duì)GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)紅外二極管（IRED）的低頻噪聲測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)采用精密電子器件參數(shù)測(cè)試儀Agilent 4156C作為直流電壓源通過(guò)低通濾波器給被測(cè)GaAlAs IRED提供偏壓，采用SR570低噪聲前置放大器對(duì)噪聲信號(hào)放大，最后采用Agi?lent 35670A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀對(duì)放大后的噪聲信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換FFT，得到噪聲功率譜密度。

圖3 GaAlAs IRED低頻噪聲測(cè)量系統(tǒng)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述方法，對(duì)GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)紅外二極管（IRED）進(jìn)行多批次低頻噪聲測(cè)試。其低頻噪聲測(cè)試結(jié)果如表1所示。由測(cè)試結(jié)果可知，GaAlAs IRED低頻噪聲主要是1/f噪聲，而且表現(xiàn)出隨著頻率的增加幅值減小的特性，但也有部分表現(xiàn)出具有額外的g-r噪聲，這表明器件內(nèi)部存在氧化層陷阱缺陷［11］。

表1 低頻噪聲功率譜測(cè)試結(jié)果

圖4給出了被測(cè)器件在不同偏置電流時(shí)的電壓噪聲功率譜密度與頻率的關(guān)系，從圖4可知，其呈現(xiàn)明顯的1/f噪聲特性，且隨著輸入電流的增加，其功率譜密度也呈現(xiàn)不同的增加趨勢(shì)。

圖4 不同偏置電流下的低頻噪聲頻譜圖

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入電流小于3 mA時(shí)，該類(lèi)器件的1/f噪聲幅值與輸入電流成正比；在3 mA～5 mA的范圍內(nèi)，1/f噪聲幅值出現(xiàn)飽和；隨著輸入電流的持續(xù)增大，1/f噪聲幅值急劇增加，呈現(xiàn)與輸入電流平方成正比的規(guī)律?；谳d流子數(shù)漲落和遷移率漲落機(jī)構(gòu)，深入分析了GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)紅外二極管1/f噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果給予了合理的解釋。并可知，在低電流區(qū)，該類(lèi)器件1/f噪聲源為體陷阱對(duì)非平衡載流子俘獲和發(fā)射導(dǎo)致的擴(kuò)散電流漲落，主要為擴(kuò)散1/f噪聲；在高電流區(qū)，其1/f噪聲源為結(jié)空間電荷區(qū)附近氧化層陷阱對(duì)該處表面勢(shì)的調(diào)制而引起載流子表面復(fù)合速率的漲落，主要為表面1/f噪聲。因而，高偏置電流下的1/f噪聲反映了GaAlAs IRLED激活區(qū)的陷阱特征，低偏置電流時(shí)則反映了體區(qū)的陷阱信息，該研究結(jié)果為低頻噪聲表征該類(lèi)器件的可靠性提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

4 結(jié)論

本文提出了一種針對(duì)GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)紅外二極管（IRED）低頻噪聲測(cè)量方法，明確了對(duì)應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建原理及性能要求，建立了功率GaAlAs IRED器件的噪聲模型，基于該模型的分析表明，低電流區(qū)GaAlAs IRLED的1/f噪聲源于體陷阱對(duì)非平衡載流子俘獲和發(fā)射導(dǎo)致的擴(kuò)散電流漲落，高電流區(qū)的1/f噪聲源于結(jié)空間電荷區(qū)附近氧化層陷阱對(duì)該處表面勢(shì)的調(diào)制而引起載流子表面復(fù)合速率的漲落。測(cè)試了GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)紅外二極管的低頻噪聲，其研究結(jié)果為低頻噪聲表征該類(lèi)器件的可靠性提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

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熊建國(guó)（1980-），男，漢，重慶人，碩士，講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈皖l噪聲測(cè)量與與通信信號(hào)處理，xjg1980022@163.com。

Method of Lowfrequency Noise Measurement for GaAlAs IREDs*

XIONG Jianguo1，ZHAO Hua2，HUANG Yipei1，YANG Daiqiang1，CHEN Zhigao2，3*
（1.Chongqing Creation Vocational College，Chongqing，China；2.Department of Electronic Engineering Hebei Normal University，Hebei 050024，China；3.Key laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071；4.School of Electrical and Information Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 402160，China）

By analyzing the low frequency noise mechanism and characteristics of the GaAlAs infrared light-emit?ting diode（IRED），the noise model of GaAlAs IRED is established，a set of measurement systems of the low fre?quency noise is designed，and low-frequency noise of GaAlAs IRED is obtained by the measurement system.Experi?mental results show that the method can accurately measure low-frequency noise of GaAlAs IRED，and find out that the low-frequency noise is mainly for 1/f noise.The noise model is consistent with the results.The work done above provides an experimental and theoretical basis for low-frequency noise to be used in characterizing reliability of GaAlAs IREDs.

low-frequency noise；IRED；noise model；oxide traps

TN36；TN386.1

A

1005-9490(2015)06-1249-04

4260D

10.3969/j.issn.1005-9490.2015.06.008

項(xiàng)目來(lái)源：中國(guó)地震局地震研究所基金項(xiàng)目（IS20136001）；重慶市高等教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目（132018）。

2015-02-11 修改日期：2015-03-28