GaA lAs紅外發(fā)光二極管RTS噪聲測試方法研究*

楊　建，呂　瀚，陳志高（中國地震局地震研究所（地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），武漢430071）

GaA lAs紅外發(fā)光二極管RTS噪聲測試方法研究*

楊建*，呂瀚，陳志高
（中國地震局地震研究所（地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），武漢430071）

提出了一種GaAlAs紅外發(fā)光二極管自動(dòng)溫控RTS（Random Telegraph Signal）噪聲測試新方法。通過分析GaAlAs IRLED的RTS噪聲產(chǎn)生機(jī)理及特性，建立了GaAlAs IRLED的RTS噪聲模型，設(shè)計(jì)了自動(dòng)溫控噪聲測試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能準(zhǔn)確的測量GaAlAs IRLED的RTS噪聲，得到與噪聲模型一致的結(jié)果，為GaAlAs IRLED可靠性的噪聲表征提供了實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù)。

RTS噪聲；紅外發(fā)光二極管；噪聲模型；氧化層陷阱；自動(dòng)溫控

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8 500?～8 800?的近紅外光。該波長適合于光導(dǎo)纖維在這一頻段（λ=0.8μm～0.9μm）中損耗低的要求，有利于短波長的光纖通信，其可靠性問題也越來越受到關(guān)注。近來的實(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［1］。此外，大量研究結(jié)果也顯示，LED的RTS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，RTS噪聲能更加敏感地表征起其可靠性。

本文提出了一種RTS噪聲檢測的方法，該方法基于載流子數(shù)漲落和遷移率漲落機(jī)制，通過深入分析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RTS噪聲模型，設(shè)計(jì)了一套R(shí)TS噪聲測試系統(tǒng)。在輸入電流寬范圍變化的條件下，測試了GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)紅外二極管的RTS噪聲，該方法能準(zhǔn)確地獲取GaAlAs IRED的RTS噪聲，研究結(jié)果為該類器件的可靠性表征提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

1　RTS噪聲特性與模型

GaAlAs IRED的低頻噪聲噪聲通常表現(xiàn)為1/f噪聲、g-r噪聲、白噪聲和RTS噪聲等的疊加，一般認(rèn)為RTS噪聲與邊界陷阱之間具有顯著的相關(guān)性，不同的邊界陷阱產(chǎn)生的RTS噪聲各不相同。大量研究表明，RTS噪聲在一個(gè)相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)，噪聲電壓或電流的功率譜密度近似與通過器件的電流的平方成正比［2］。利用RTS噪聲不僅可以確定陷阱的深度和能級(jí)以及陷阱的俘獲截面和散射截面，還可以確定陷阱在溝道中的位置。

因此，要利用RTS噪聲來分析邊界陷阱，需3步：首先，建立準(zhǔn)確的RTS=噪聲物理-數(shù)學(xué)模型；其次，精確地提取RTS噪聲及其特征；最后，有效的RTS噪聲陷阱分析方法。RTS噪聲主要有2個(gè)參數(shù)：俘獲時(shí)間常數(shù)τc和發(fā)射時(shí)間常數(shù)τe以及噪聲幅度［3］。當(dāng)器件尺寸進(jìn)入深亞微米乃至納米范圍時(shí)，RTS噪聲絕對(duì)幅度非常小，約為10-9A。單個(gè)陷阱的τc和τe可表示為，

式中，n、σ0和νth分別為電子濃度、陷阱對(duì)電子的平均俘獲截面和電子的平均熱速度；ΔEb為激活能，K和T分別為玻爾茲曼常數(shù)和絕對(duì)溫度，g為簡并因子，Ef為費(fèi)米能級(jí)，Et為陷阱能級(jí)，Ec為平衡條件下陷阱能級(jí)被載流子占據(jù)的概率，所以單個(gè)陷阱俘獲和發(fā)射載流子引起溝道電流漲落的功率譜密度［4］為，

式中，ΔI為RTS噪聲電流幅值。由此可見，RTS的頻譜為洛倫茲譜，這是其主要的頻譜特征。RTS噪聲在時(shí)域和頻域的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)圖如圖1所示。

圖1　RTS噪聲的時(shí)域波形和頻譜圖

由式（1）～式（3）及圖1可以看出，通過建立RTS噪聲模型，用數(shù)學(xué)的方法表示了RTS噪聲與邊界陷阱的關(guān)系，使得二者之間建立了必要的聯(lián)系。同時(shí)，在后續(xù)的測試過程中，噪聲模型可為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析提供可靠的參考標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)建立的模型，可以得出實(shí)驗(yàn)的噪聲數(shù)據(jù)中是否含有RTS噪聲成份，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性得到了保障。

2　RTS噪聲測試系統(tǒng)

測量RTS噪聲的方法之一是把波動(dòng)的電流通過大的負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓，電壓中很小的波動(dòng)成分被數(shù)字頻譜分析儀數(shù)字化。一般情況下，RTS噪聲的測量是通過用戶自己將所需設(shè)備進(jìn)行組合［5］。比如低噪聲能源、電流電壓轉(zhuǎn)換器、示波器或者電壓采樣器。然而，這些測試系統(tǒng)由于是由不同儀器組建而成，使得整個(gè)系統(tǒng)難以校準(zhǔn)，所以很難取得穩(wěn)定一致的測試結(jié)果。

傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)是由偏置電路、待測器件、前置放大器、虛擬儀器和打印機(jī)構(gòu)成，其整體系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　傳統(tǒng)RTS噪聲測量系統(tǒng)框圖

我們看到，傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)中，對(duì)偏置電路、PARC113及虛擬儀器的要求很高。傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的偏置電路激發(fā)噪聲的能力較弱，前置放大器的精度低，背景噪聲大；虛擬儀器部分，數(shù)據(jù)采集卡的精讀要高，采集速度要快，雖然可通過精準(zhǔn)選型解決，但是要與分析軟件LabVIEW配合使用，很容易出現(xiàn)問題，使其很難達(dá)到所要求的測試精度。

為了獲得穩(wěn)定一致的測試結(jié)果，本文采用精密電子器件參數(shù)測試儀Agilent4156 C作為直流電壓源通過低通濾波器給被測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Agilent35670A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。通過Sagittarius控制器、Agilent B1530A模塊及遙控感應(yīng)單元RSU（Remote Sense Unit）組合，其中Sagittarius平臺(tái)中帶有自控溫度控制模塊，可以控制整個(gè)測試環(huán)境的溫度［6］。這個(gè)新型的測量系統(tǒng)就可以準(zhǔn)確、高效地完成工業(yè)生產(chǎn)中所需要的RTS噪聲的測試和分析，系統(tǒng)構(gòu)建及器件連接示意圖如圖3所示。

圖3　GaA lAs IRED的RTS噪聲自動(dòng)溫控測量系統(tǒng)

在RTS噪聲測試中，GaAlAs IRED偏置電路的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的問題。它有一個(gè)對(duì)外窗口用于透過紅外光，噪聲測試時(shí)需加保護(hù)蓋避免外界溫度變化對(duì)器件噪聲性能的影響。實(shí)際使用時(shí)紅外探測器需要外加偏置電壓，每個(gè)器件有3個(gè)對(duì)外引腳，分別是正偏壓輸入引腳、負(fù)偏壓輸入引腳和信號(hào)輸出引腳。為了對(duì)該類器件低頻噪聲進(jìn)行準(zhǔn)確測試，按照器件的實(shí)際應(yīng)用方式，采用圖4電路進(jìn)行噪聲測試偏置。被測的GaAlAs IRED安裝在適配器測試插座上，通過開關(guān)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)被測器件熱噪聲、總噪聲等不同測試狀態(tài)；被測器件各種測試狀態(tài)下的噪聲經(jīng)過交流耦合送入低噪聲前置放大器；經(jīng)過第二級(jí)放大及濾波后的噪聲信號(hào)送入噪聲采集與分析系統(tǒng)進(jìn)行采集及噪聲特性的頻域-時(shí)域分析，以確定其噪聲參數(shù)［7］。其電路原理圖如圖4所示。

圖4　GaA lAs IRED偏置電路的電路原理圖

3　測試結(jié)果與討論

基于上述方法，首先針對(duì)本文所設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)精度的測試。由于新系統(tǒng)中的偏置電路、控制、測試平臺(tái)與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不同，是自動(dòng)化測量儀器，這些儀器雖具有很高的直流精度和分辨率，但其內(nèi)部使用了由MOS器件構(gòu)成的有源反饋電路，這將會(huì)不可避免地在測量中引入誤差?？紤]到被測樣品為要進(jìn)行RTS噪聲測試，而且噪聲信號(hào)幅度小于10-6V，所以，新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的偏置電路使用了噪聲抑制手段，將引入的背景噪聲降到最低［8］。此外，測試過程中，為了防止外界信號(hào)對(duì)測量系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，除計(jì)算機(jī)外的所有測量系統(tǒng)均置于實(shí)驗(yàn)屏蔽暗箱中，測試溫度均在自動(dòng)控制的室溫下進(jìn)行。其背景噪聲水平測試結(jié)果如圖5（a）所示，同時(shí)，圖5（b）給出了傳統(tǒng)系統(tǒng)的背景噪聲測試結(jié)果。

圖5　測試系統(tǒng)的背景噪聲

由圖5可以看到，該新測量系統(tǒng)的背景噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于待測RTS噪聲的強(qiáng)度，大約小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這證明設(shè)計(jì)的RTS噪聲測量系統(tǒng)可行，可用于GaAlAs IRED的RTS噪聲測試。同時(shí)，由圖5（b）也可以看出，傳統(tǒng)系統(tǒng)的背景噪聲比較大，在測試的過程中會(huì)淹沒掉待測的噪聲，因此，新系統(tǒng)的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。與Agilent動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀進(jìn)行對(duì)比測試，可知該系統(tǒng)測試精度在4.8%以內(nèi)，滿足測試要求。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

表1　頻率不確定度測試結(jié)果

表2　幅度不確定度測試結(jié)果

對(duì)于RTS噪聲測量和分析，首先要利用噪聲測試平臺(tái)測量獲取樣品器件的RTS噪聲時(shí)間序列，將時(shí)間序列進(jìn)行量化存儲(chǔ)；然后利用時(shí)間特征和幅度特征的分析方法對(duì)RTS信號(hào)進(jìn)行分析，得到兩組重要的參數(shù)：一組為τc和τe，另一組為噪聲幅度ΔI。針對(duì)實(shí)測RTS噪聲的特征，利用干擾信號(hào)的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征，采用統(tǒng)計(jì)的方法以減小和消除干擾信號(hào)對(duì)測量結(jié)果的影響［9］。在時(shí)間參數(shù)的提取中，先利用濾波處理，搜索得出RTS噪聲的上升和下降邊沿。然后，利用時(shí)間參數(shù)的指數(shù)分布，對(duì)其進(jìn)行擬合得出時(shí)間常數(shù)，從而消除量化帶來的誤差。在幅度的提取中，先對(duì)濾波輸出的幅度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，再根據(jù)干擾信號(hào)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分布，對(duì)其進(jìn)行擬合以消除干擾對(duì)幅度提取造成的誤差，從而得出RTS噪聲幅度參數(shù)［10］。當(dāng)抽樣頻率為10 K時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)測量并識(shí)別出的RTS噪聲數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6　測試系統(tǒng)的背景噪聲

4　結(jié)論

本文提出了一種GaAlAs IRLED的RTS噪聲的測量方法，并在此基礎(chǔ)上建立了GaAlAs IRLED器件的RTS噪聲測試系統(tǒng)，通過對(duì)GaAlAs IRLED的RTS噪聲的模型的建立，給出了其RTS噪聲參數(shù)的提取過程。實(shí)際測量表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型符合很好。與傳統(tǒng)RTS噪聲測試系統(tǒng)和參數(shù)提取算法相比，在輸入電流寬范圍變化的條件下，本文所提出的系統(tǒng)具有更好的測量靈敏度、抗干擾能力和可重測性，精度更高，功能更強(qiáng)。此研究結(jié)果為該類器件的可靠性表征提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

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楊建（1981-），男，漢族，碩士，工程師。研究方向?yàn)橹饕獜氖碌皖l噪聲測量、通信信號(hào)處理與地震預(yù)警監(jiān)測儀器設(shè)計(jì)，yj1981011@163.com。

RTSNoise Measurement Method in GaA lAs IRED*

YANG Jian*，LüHan，CHEN Zhigao
（Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071，China）

A new RTSnoise testmethod of GaAlAs infrared light-emitting diodes automatic temperature control is proposed.By analyzing the RTS noise generating mechanism and characteristic of GaAlAs IRLED，the GaAlAs IRLED RTSnoisemodel isestablished and automatic temperature controlnoise testsystem is designed.The experimental results show that themethod can accuratelymeasure GaAlAs IRLED RTSnoise，results are consistentwith the noisemodel that provides reliability of the noise characterization of experimental and the theoretical basis for GaAlAs IRLED.

RTSnoise；IRED；noisemodel；oxide traps；auto temperature control

TN36；TN386.1

A

1005-9490（2016）04-0764-04

項(xiàng)目來源：中國地震局地震研究所基金項(xiàng)目（IS20136001）

2015-09-04修改日期：2015-10-08

EEACC:7230G；7320E10.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.003