李上賓，黃博揚(yáng)，李國強(qiáng)，陳 明，羅江華，徐正元

（1. 中科院無線光電通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息學(xué)院，合肥 230026；2. 華南理工大學(xué)，發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3. 東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，移動通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096；4. 佛山市南海區(qū)聯(lián)合廣東新光源產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，廣東 佛山 528226）

紅色熒光體增強(qiáng)型硅基光電二極管的頻譜響應(yīng)研究*

李上賓1?，黃博揚(yáng)1，李國強(qiáng)2，陳 明3，羅江華4，徐正元1

（1. 中科院無線光電通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息學(xué)院，合肥 230026；2. 華南理工大學(xué)，發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3. 東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，移動通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096；4. 佛山市南海區(qū)聯(lián)合廣東新光源產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，廣東 佛山 528226）

一般硅基光電二極管對紅光或紅外光的響應(yīng)要強(qiáng)于對藍(lán)光或紫外光的響應(yīng)。本文研究了在硅基二極管表面粘附紅色熒光體對375 nm近紫外光響應(yīng)的增強(qiáng)效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：紅色熒光體層粘附的光電二極管能有效提高對近紫外光的響應(yīng)度、靈敏度，并且對硅基光電二極管頻率響應(yīng)帶寬的影響并不顯著。

硅基光電二極管；熒光粉；波長轉(zhuǎn)換；可見光通信

0 引 言

提高硅基光電二極管對近紫外光及藍(lán)光的響應(yīng)一直是研究的熱點(diǎn)。硅基光電二極管的峰值響應(yīng)波長一般位于近紅外光或紅光波段。近年來的可見光通信[1-2]迫切需要藍(lán)光探測器以提高信噪比，而一般的高速硅基光電二極管在藍(lán)光波段及近紫外光波段的靈敏度和響應(yīng)度低。采用波長轉(zhuǎn)換材料可能是提高硅基光電二極管探測器藍(lán)光及近紫外光波段靈敏度和響應(yīng)度的一個值得嘗試的方法。在醫(yī)學(xué)及核物理方面，對結(jié)合熒光材料和光電二極管的X 光探測器已經(jīng)有了較多的研究[3-4]。在太陽能電池方面，利用波長下轉(zhuǎn)換或上轉(zhuǎn)換熒光材料提高硅基太陽能電池對太陽光的轉(zhuǎn)化效率的探索也引起了廣泛的關(guān)注[5-9]。在光通信材料和器件領(lǐng)域，目前還較少見到相關(guān)的研究報(bào)道。

本文設(shè)計(jì)了一種硅膠混合紅色熒光粉，涂覆在硅基PIN光電二極管探測窗口，驗(yàn)證是否可以通過波長下轉(zhuǎn)換提高硅基光電二極管對近紫外光波段的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中，方波或正弦波調(diào)制的375 nm波長的近紫外激光以15 mW的平均光功率和100%的調(diào)制深度正向瞄準(zhǔn)濱松光電二極管（S10783）圓形窗口的正中心。光電二極管的圓形探測窗口直徑為0.8 mm，其630 nm處的探測靈敏度為0.45 A/W，375 nm處的探測靈敏度為0.13 A/W。實(shí)驗(yàn)中激光光束直徑不超過0.8 mm。近紫外激光激發(fā)氮化物紅色熒光粉 (SrCa)AlSiN3:Eu2+（三菱化學(xué)），如圖1所示，紅色熒光粉的主發(fā)射波長位于630 nm，并且在其激發(fā)譜中375 nm激發(fā)量子效率是460 nm處激發(fā)量子效率峰值的85%～90%。

圖1 紅色氮化物熒光粉 (SrCa)AlSiN3:Eu的激發(fā)譜和發(fā)射譜Fig. 1 The excitation and emission spectrum of the red phosphor (SrCa)AlSiN3:Eu

下文將實(shí)驗(yàn)比較研究有紅色熒光膠層和沒有紅色熒光膠層兩種結(jié)構(gòu)下光電二極管的響應(yīng)。

1 紫外激光激發(fā)紅色熒光粉帶寬測試

D50尺寸為11 nm的紅色熒光粉末以0.5%的重量比混合在SilGel 612硅凝膠（德國瓦克）中，均勻涂于硅基PIN結(jié)構(gòu)光電二極管S10783（日本濱松公司）的無色透明環(huán)氧樹脂表面，室溫8 h吸濕固化。熒光膠層的厚度在0.5 mm左右。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 2 Experimental setup

如圖2所示，發(fā)送端使用375 nm的近紫外激光器（Omicron，模擬調(diào)制帶寬可以到200 MHz），分別發(fā)送1 MHz、10 MHz的方波以及掃頻正弦波信號。接收端由被熒光粉膠層覆蓋的硅基PIN光電二極管后面接入放大電路模塊構(gòu)成，放大后的信號通過示波器分析方波波形，用頻譜儀測試帶寬。這里，設(shè)計(jì)的放大電路對接收信號電壓取了負(fù)號。

2 結(jié)果與討論

如圖3和圖4所示，紅色熒光粉層對光電二極管的響應(yīng)有顯著的影響。可以合理地猜測帶發(fā)光層的光電二極管對以方波調(diào)制的近紫外激光響應(yīng)包含兩部分：①對直射或被熒光粉顆粒散射的375 nm近紫外光的響應(yīng)；②對熒光粉受激發(fā)射的630 nm紅光的響應(yīng)。一般熒光粉的受激發(fā)射3 dB頻率響應(yīng)帶寬在10 kHz～1 MHz之間。比較圖3a和圖3d可以很清楚地看到，由于紅色熒光粉的頻率響應(yīng)帶寬較小，即使375 nm近紫外光強(qiáng)度為零，紅色熒光粉還會繼續(xù)發(fā)光，導(dǎo)致接收信號不能回到零點(diǎn)。在本實(shí)驗(yàn)中采用的熒光粉3 dB帶寬明顯小于1 MHz。即使這樣，比較圖4a和圖4d，也可以發(fā)現(xiàn)紅色熒光粉膠層能使S10783光電二極管對10 MHz方波調(diào)制近紫外激光響應(yīng)的信號峰峰值提高3 dB左右。這種紅色熒光增強(qiáng)光電二極管頻譜響應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制將來需要實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論模型進(jìn)一步分析。經(jīng)初步分析，其最可能的因素主要有兩個：①熒光粉響應(yīng)10 MHz激發(fā)光發(fā)射的紅光導(dǎo)致的電信號不僅抵消了近紫外光散射吸收導(dǎo)致的電信號損失，還有所增益。這可能是由于硅基光電二極管對紅光的響應(yīng)要遠(yuǎn)大于對近紫外光的響應(yīng)。②熒光粉層作為一個發(fā)光散射層，有效緩解了光電二極管接收激光信號時需要的精確瞄準(zhǔn)。實(shí)際比較測試中，當(dāng)沒有熒光粉膠層時，激光光斑很難真正與光電二極管圓形窗口對準(zhǔn)。我們也用藍(lán)光LED比較測試過兩種結(jié)構(gòu)的光電二極管的響應(yīng)，并得到了相似的結(jié)果。

另外也可以看到，不加反向偏壓時的波形最好；加上反向偏壓后，光電二極管后的放大電路引入頻率為50 MHz且振幅抖動較大。當(dāng)方波頻率增大后，受50 MHz抖動的影響增大，波形嚴(yán)重失真。這種波形失真將來可通過高頻屏蔽等辦法處理。經(jīng)過對接收信號進(jìn)行濾波等處理，從上升沿時間可以看到，即使加了熒光粉層，接收端帶寬依舊可以到幾十兆赫茲。這主要是因?yàn)闊晒夥鄣臐舛缺容^小，光電二極管的高頻響應(yīng)信號主要來源于被散射或直射的375 nm近紫外光。進(jìn)一步研究熒光粉膠層的濃度和形狀對紅色熒光體增強(qiáng)型硅基光電二極管的頻譜響應(yīng)的影響將是很有必要的。當(dāng)熒光粉濃度變大時，更多的近紫外光被轉(zhuǎn)化為紅光，同時也有更多的近紫外光被散射，實(shí)際上相當(dāng)于改變了光電探測器的外部量子效率、光譜響應(yīng)曲線和頻率響應(yīng)曲線。如圖5所示，紅色熒光膠層可以提高硅基光電二極管對近紫外和藍(lán)光波段的光電響應(yīng)。

圖3 帶或不帶紅色熒光粉層光電二極管對1 MHz方波近紫外激光的接收響應(yīng)波形：（a）加熒光粉層不加偏壓；（b）加熒光粉層且加2 V偏壓；（c）加熒光粉層且加3 V偏壓；（d）不加熒光粉層且不加偏壓Fig. 3 The received signal for transmitted 1 MHz square wave: (a) with the red phosphor layer and without the reverse bias voltage; (b) with the red phosphor layer and under 2 V of the reverse bias voltage; (c) with the red phosphor layer and under 3 V of the reverse bias voltage; (d) without the red phosphor layer and the reverse bias voltage

圖4 帶或不帶紅色熒光粉層光電二極管對10 MHz方波近紫外激光的接收響應(yīng)波形：（a）加熒光粉層不加偏壓；（b）加熒光粉層且加2 V偏壓；（c）加熒光粉層且加3 V偏壓；（d）不加熒光粉層且不加偏壓Fig. 4 The received signal for transmitted 10 MHz square wave: (a) with the red phosphor layer and without the reverse bias voltage; (b) with the red phosphor layer and under 2 V of the reverse bias voltage; (c) with the red phosphor layer and under 3 V of the reverse bias voltage; (d) without the red phosphor layer and the reverse bias voltage

圖5 紅色熒光粉層對光電二極管光譜響應(yīng)的影響，其中歸一化因子是紅色熒光粉層對627 nm波長紅光的增益系數(shù)Fig. 5 The influence of the red phosphor layer on the spectral response of the photodiode, in which the normalization factor is the gain coefficient of the red phosphor layer corresponding to the red light at 627 nm

圖6是帶紅色熒光粉層的光電二極管在不同偏壓下對0～20 MHz掃頻的375 nm激光響應(yīng)的結(jié)果。不加偏壓情況下，3 dB帶寬約7.75 MHz，10 dB帶寬超過20 MHz。2 V和3 V偏壓情況下雖然波形嚴(yán)重失真，但掃頻結(jié)果非常好，0～20 MHz一直平坦。從掃頻結(jié)果還可以看出，存在比較嚴(yán)重的倍頻現(xiàn)象，特別是加上偏壓后接近50 MHz，也就是抖動頻率的時候。

圖6 帶紅色熒光粉層的光電二極管在不同反向偏壓下的掃頻響應(yīng)Fig. 6 The frequency response of the photodiode with red phosphor layer under different values of the reverse bias voltage

3 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)比較研究了紅色熒光體增強(qiáng)型硅基光電二極管的光波下轉(zhuǎn)換特性對近紫外光頻率響應(yīng)的影響。 結(jié)果表明：紅色熒光粉膠層能有效提高光電二極管對近紫外光的響應(yīng)度、靈敏度，并且對硅基光電二極管頻率響應(yīng)帶寬的影響并不顯著。另外，熒光膠層也起著散射層的作用，可以顯著提高光電二極管的光接收視場角。將來，我們需要針對具體應(yīng)用場景優(yōu)化紅色熒光膠層的形狀和膠層熒光粉的濃度，進(jìn)一步提高硅基光電探測器對紫外和藍(lán)光波段的外部量子效率和響應(yīng)靈敏度。

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Enhancement of Frequency Responsibility of Si PIN-PD via Additional Red Phosphor Film

LI Shang-bin1, HUANG Bo-yang1, LI Guo-qiang2, CHEN Ming3, LUO Jiang-hua4, XU Zheng-yuan1
(1. CAS Key Laboratory of Wireless-Optical Communications, School of Information Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 2. State Key Laboratory of Luminescent Materials and Devices, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 3. National Mobile Communications Research Laboratory, School of Information Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China; 4. Guangdong Solid State Lighting Industry Innovation Center, Guangdong Foshan 528226, China)

Ordinarily, the Si PIN photodiode tends to be more responsive to the NIR or red light than blue light or NUV light. Here, we studied the role of an additional red phosphor film on the enhancement of NUV 375 nm responsibility of Si PIN photodiode. The experimental results show that the red phosphor film can effectively improve the responsibility and sensitivity of Si PIN photodiode. Meanwhile, the bandwidth of the frequency response of such a photodetector is not significantly affected by the red phosphor.

Si photodiode; phosphor; wavelength conversion; visible light communication

TK0；TN2

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.05.001

2095-560X（2016）05-0341-04

李上賓 (1974-)，男，博士，副研究員，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)無線光通信與網(wǎng)絡(luò)研究中心副研究員/副主任，主要從事LED可見光通信收發(fā)器件的設(shè)計(jì)、高速藍(lán)光探測器研制及無線光電技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)。

黃博揚(yáng) (1992-)，男，碩士研究生，主要從事無線光通信中的光源與探測器特性研究。

李國強(qiáng) (1979-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事高性能光電半導(dǎo)體材料與器件制作方面的研究。

陳 明 (1968-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向包括：現(xiàn)代信息論與編碼，未來移動通信系統(tǒng)中的基帶信號處理，移動通信系統(tǒng)中的無線資源管理分配算法研究。

羅江華 (1978-)，男，博士，副教授，主要從事光通信高性能器件制作方面的研究。

徐正元 (1965-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院無線光電通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、中國科大無線光通信與網(wǎng)絡(luò)研究中心主任、國家“千人計(jì)劃”特聘專家、國家“973”項(xiàng)目首席科學(xué)家，曾為加州大學(xué)終身教授和UC-Light研究中心主任，主要從事寬光譜無線光通信和寬帶移動通信理論與實(shí)驗(yàn)研究。

2015-12-21

2016-08-30

廣東省重大科技專項(xiàng)（2014B010119001）

? 通信作者：李上賓，E-mail：shbli@ustc.edu.cn