GaAlAs红外发光二极管低频噪声检测方法*

2015-12-22熊建国黄贻培杨代强陈志高

电子器件 2015年6期

熊建国，赵华，黄贻培，杨代强，陈志高

（1.重庆科创职业学院机电学院，重庆402160；2.河北师范大学电子工程系，石家庄050024；3.中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室），武汉430071；4.重庆科技学院电气与信息工程学院，重庆402160）

熊建国1，赵华2，黄贻培1，杨代强1，陈志高3，4*

通过分析GaAlAs红外发光二极管（IRED）的低频噪声产生机理及特性，建立了GaAlAs IRED的噪声模型，设计了一套低频噪声测试系统，通过该系统测量得到了GaAlAs IRED的低频噪声。实验表明，该方法能准确的测量GaAlAs IRED的低频噪声，发现其低频噪声主要表现为1/f噪声，得到与噪声模型一致的结果。该研究为GaAlAs IRLED可靠性的噪声表征提供了实验基础与理论依据。

低频噪声；红外发光二极管；噪声模型；氧化层陷阱

以GaAlAs双异质结红外二极管（IRED）是一种电光转换器件，在一定的正向电流驱动下，发射出峰值波长850nm～880nm埃的近红外光。该波长适合于光导纤维在这一频段（λ=0.8 μm～0.9 μm）中损耗低的要求，有利于短波长的光纤通信，其可靠性问题也越来越受到关注。近来的实验结果表明，LED的低频噪声随着输入电流的增加而以不同的规律增大［］。此外，大量研究结果也显示，LED的低频噪声与其可靠性有直接的关系，相比传统的电参数而言，低频噪声能更加敏感地表征出其可靠性。

提出了一种低频噪声测量LFNM（Low Frequency Noise Measurement）无损检测的方法，该方法基于载流子数涨落和迁移率涨落机制，深入分析了GaAlAs双异质结红外二极管低频噪声的产生机理，建立了GaAlAs IRED的噪声模型，设计了一套低频噪声测试系统。在输入电流宽范围变化的条件下，测试了GaAlAs双异质结红外二极管的低频噪声，该方法能准确地获取GaAlAs IRED的低频噪声，且研究结果为低频噪声表征该类器件的可靠性提供实验和理论依据。

1 GaAlAs IRED的低频噪声特性与模型

GaAlAs IRED的低频噪声通常表现为1/f噪声、g-r噪声、白噪声等的叠加，一般认为1/f噪声主要是由表面载流子数涨落引起的。大量研究表明，1/f噪声在一个相当宽的频率范围内，其功率谱密度与频率成反比，且噪声电压或电流的功率谱密度近似与通过器件的电流的平方成正比。

建立GaAlAs IRED的噪声模型，即把可以影响GaAlAs IRED低频噪声的参数叠加取平均，用以来表示其噪声参数模型。其低频噪声通常表现为1/f噪声、g-r噪声、白噪声等的叠加，式（1）为它的功率谱密度［4］。

式中：A是白噪声值；B是1/f噪声幅值；α为1的常数；Ci表示g-r噪声的幅度；foi为第i个g-r噪声的转折频率；N为g-r噪声的量度。因而，功率GaAlAs IRED能否正常工作，可通过其噪声表现来判断，GaAlAs IRED的低频噪声频谱及其拟合曲线如图1所示。

图1 低频噪声频谱及其拟和曲线

2 互谱测量法与测量系统

2.1 低频噪声测量方法

双通道互谱噪声测量技术的利用两个随机信号的非相关性，通过相关性计算消除这两个随机信号对测量结果的影响。根据相关性的理论，假设有两组随机过程函数Rx及Ry，它们之间的相关性可以表示为：

若两个随机过程互不相关，则一定有互相关函数为零。根据维纳辛钦定理可以知道功率谱密度是其相关函数的傅里叶变换，这也就可以证明其互功率谱也为零。利用该特点当测量系统自身噪声之间不存在相关性时，可采用互相关方法抑制系统噪声。基于以上理论设计了双通道噪声测量方案，相对于单通道测量方法降低了系统的背景噪声，提高了低频噪声测量的精度。

图2中放大器1、2输出的放大信号为：

其中c(t)表示待测器件产生的噪声和两个放大器的等效输入电流噪声放大后的信号，ui(t)表示第i个测量放大器的等效输入电压噪声。对输出的值在时域上进行加减运算可以得到：

两个测量放大器采用的是单独供电电源，可以认为c(t)，u1(t)，u2(t)互不相关。然后对a(t)和b(t)求功率谱密度可以得到：

Si(f)表示i(t)的功率谱密度函数。

通过测量两路输出信号的功率谱，然后相减再除以4即可求出待测器件的噪声功率谱密度函数。这个方法可以在不改善放大器自身噪声的基础上，利用噪声的非相关性原理在一定程度上减低放大器噪声对测量结果的影响，提高测试精度。

图2 双通道互谱噪声测量系统

2.2 低频噪声测量系统

针对GaAlAs双异质结红外二极管（IRED）的低频噪声测量系统如图3所示，系统采用精密电子器件参数测试仪Agilent 4156C作为直流电压源通过低通滤波器给被测GaAlAs IRED提供偏压，采用SR570低噪声前置放大器对噪声信号放大，最后采用Agi⁃lent 35670A动态信号分析仪对放大后的噪声信号进行快速傅里叶变换FFT，得到噪声功率谱密度。

图3 GaAlAs IRED低频噪声测量系统

3 实验结果

基于上述方法，对GaAlAs双异质结红外二极管（IRED）进行多批次低频噪声测试。其低频噪声测试结果如表1所示。由测试结果可知，GaAlAs IRED低频噪声主要是1/f噪声，而且表现出随着频率的增加幅值减小的特性，但也有部分表现出具有额外的g-r噪声，这表明器件内部存在氧化层陷阱缺陷［11］。

表1 低频噪声功率谱测试结果

图4给出了被测器件在不同偏置电流时的电压噪声功率谱密度与频率的关系，从图4可知，其呈现明显的1/f噪声特性，且随着输入电流的增加，其功率谱密度也呈现不同的增加趋势。

图4 不同偏置电流下的低频噪声频谱图

实验发现，当输入电流小于3 mA时，该类器件的1/f噪声幅值与输入电流成正比；在3 mA～5 mA的范围内，1/f噪声幅值出现饱和；随着输入电流的持续增大，1/f噪声幅值急剧增加，呈现与输入电流平方成正比的规律。基于载流子数涨落和迁移率涨落机构，深入分析了GaAlAs双异质结红外二极管1/f噪声的产生机理，对该实验结果给予了合理的解释。并可知，在低电流区，该类器件1/f噪声源为体陷阱对非平衡载流子俘获和发射导致的扩散电流涨落，主要为扩散1/f噪声；在高电流区，其1/f噪声源为结空间电荷区附近氧化层陷阱对该处表面势的调制而引起载流子表面复合速率的涨落，主要为表面1/f噪声。因而，高偏置电流下的1/f噪声反映了GaAlAs IRLED激活区的陷阱特征，低偏置电流时则反映了体区的陷阱信息，该研究结果为低频噪声表征该类器件的可靠性提供实验和理论依据。

4 结论

本文提出了一种针对GaAlAs双异质结红外二极管（IRED）低频噪声测量方法，明确了对应的测试系统的构建原理及性能要求，建立了功率GaAlAs IRED器件的噪声模型，基于该模型的分析表明，低电流区GaAlAs IRLED的1/f噪声源于体陷阱对非平衡载流子俘获和发射导致的扩散电流涨落，高电流区的1/f噪声源于结空间电荷区附近氧化层陷阱对该处表面势的调制而引起载流子表面复合速率的涨落。测试了GaAlAs双异质结红外二极管的低频噪声，其研究结果为低频噪声表征该类器件的可靠性提供实验和理论依据。

［1］Shi Jiawei，Jin Ensun，Ma Jing.An Improved Approach and Exper⁃imental Results of a Low-Frequency Noise Measurement Tech⁃nique used for Reliability Estimation of Diode Lasers［J］.Micro⁃electronics Reliability，1994，34（7）：1261.

［2］Wu Y L，Lin S T.Two-Trap-Assisted Tunneling Model for Post Breakdown I-V Characteristics in Ultrathin Silicon Dioxide［J］.IEEE Trans Devices Mater Reliab，2006，6（1）：75

［3］Iannaccone G，Crupi F，Neri B，et al.Theory and Experiment of Suppressed Shot Noise in Stress Induced Leakage Currents［J］.IEEE Trans Electron Devices，2003，50（5）：1363

［4］Hooge F N，Hoppenbrouwers A M.1/f Noise in Continuous thin Gold Films［J］.Physica，2007（45）：386-92.

［5］陈文豪.电子元器件低频电噪声测试技术及应用研究［D］.西安：西安电子科技大学，2012.

［6］Scandurra G，Giusi G，Ciofi C.Multichannel Amplifier Topologies for High-Sensitivity and Reduced Measurement Time in Voltage Noise Measurements［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2013，62（5）：1145-1153.

［7］Scandurra G，Ciofi C.Multi-Channel Cross-Correlation for Increas⁃ing Sensitivity in Voltage Noise Measurements［C］//IEEEInterna⁃tional Instrumentation and Measurement Technology Conference（I2MTC），2012：1524-1528.

［8］陈晓娟，陈东阳，申雅茹.基于低频噪声测量的UPS故障诊断方法［J］.电子器件，2015，38（2）：1-5.

［9］Scandurra G，Ciofi C.Impedance Meter Based on Cross-Correla⁃tion Noise Measurements［C］//The 2011 International Conference on Noise and Fluctuations（ICNF 2011），Toronto，2011：381-384.

［10］Shukla S N，Srivastava S.A New Circuit Model of Small-Signal Sziklai Pair Amplifier［J］.International Journal of Applied Phys⁃ics&Mathematics，2013，3(4)：231-236.

［11］Levinzon.F A.Noise of the JFET Amplifier［J］.IEEE Transac⁃ tions on Circuits and Systems I：Fundamental Theory and Applica⁃tions，2000，47（7）：981-985.

［12］陈文豪，杜磊，庄奕琪，等.电子器件散粒噪声测试方法研究［J］.物理学报，2011，60（5）：1-8.

熊建国（1980-），男，汉，重庆人，硕士，讲师，主要研究领域为低频噪声测量与与通信信号处理，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