使用 MFLI 锁相放大器对 LED 进行宽带光学噪声分析
Chemnitz University of Technology
摘要
客户: Danylo Bohomolov
地点: Germany
行业: 学术界 / 高等教育
研究领域: 光学与光子学
产品: MFLI 500 kHz / 5 MHz 锁相放大器
从毫赫兹到兆赫兹：Danylo Bohomolov（开姆尼茨工业大学）将蓝光 LED 中的光学噪声追溯至晶体缺陷，并展示 MFLI 锁相放大器如何帮助他在前所未有的宽频率范围内捕捉噪声特性。
简介
发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）凭借高效率、长寿命和紧凑尺寸，彻底改变了现代照明与显示技术。这类半导体器件通过其有源区内电子与空穴的复合，直接将电能转换为光能。尽管 LED 通常具有较高的可靠性，但要实现广泛应用，保持其稳定性和使用寿命仍然至关重要。现代 LED 已针对效率和寿命进行了优化；然而，对于传感或数据通信应用而言，噪声水平同样是一个关键因素。
挑战
LED 技术面临的一项重大挑战是光学噪声，即发射光强的随机波动，这种噪声会限制器件性能。光学噪声主要来源于 LED 结构中的晶体缺陷，这些缺陷会成为电荷载流子的陷阱 [1]。此类缺陷被认为是低频噪声的主要来源，会显著影响整体光输出的噪声功率 [2]。因此，了解缺陷与噪声之间的关系，不仅对于提高器件稳定性和信噪比至关重要，也有助于开发评估 LED 质量及预测器件退化的无损方法。 在最近的一项研究 [3] 中，我们分析了市售蓝色 InGaN LED 在从 mHz 到 MHz 这一前所未有的宽频率范围内的噪声。这项综合研究揭示了不同频率区域中的不同特性。在低频范围内，噪声频谱同时呈现出典型的 和 分量。所建立的模型将这些特征归因于局部产生–复合（Generation-Recombination，GR）过程的叠加，而这些过程的弛豫时间具有均匀的宽分布。
解决方案
在高频测量中，苏黎世仪器 MFLI 锁相放大器能够在 kHz 至 MHz 范围内进行精确表征。图 1 展示了实验装置。
与其他锁相放大器相比，MFLI 具有出色的噪声性能以及较大的动态范围，这对于研究 1/f 噪声非常重要。同步两个通道的能力还有望支持研究光学噪声与电学噪声之间的相关性。
为了精确调整前置放大特性并具备模拟系统噪声的能力，实验中使用了外部跨阻放大器和直流阻隔滤波器。随后，使用扫描模式测量光电二极管的电流波动。
研究成果
图 2 展示了 InGaN 蓝色 LED 的光功率谱密度。测量结果揭示了一种特别值得关注的特性：一个离散且取决于电流的 GR 分量，其变化速度会随电流增大而加快。
最值得注意的是，当电流超过 50 mA 时，噪声频谱在约 1 MHz 处出现一个显著峰值，并且该峰值会随着电流增大而系统性地向更高频率移动。 这一特征源于两个产生–复合过程之间的干涉，其中一个过程的幅值为正，另一个过程的幅值为负。
负分量直接证明了存在由缺陷辅助、且具有相关性的电子–空穴复合过程 [4]。在电子与空穴俘获速率存在显著差异的非平衡条件下，该过程可能与深能级陷阱处的 Shockley–Read–Hall 复合有关。
未来展望
目前的研究通过考察噪声如何从局域的微米尺度区域过渡到宏观器件层面的波动，验证了所提出的模型。这种多尺度研究方法证实，闪烁等与局部缺陷相关的现象会逐级放大，并最终决定器件的整体噪声性能。
目前，所建立的理论框架有望用于估算与噪声相关的陷阱激活能，从而可以将这些能量与拉普拉斯深能级瞬态谱（Laplace Deep Level Transient Spectroscopy，L-DLTS）和 深能级光谱（Deep Level Optical Spectroscopy，DLOS）等互补技术测得的缺陷能级联系起来。
这种综合研究方法有望以前所未有的深度揭示 LED 结构中的缺陷物理机制，最终帮助研究人员更准确地预测器件可靠性，并改进制造工艺，从而最大限度地降低面向精密应用的下一代 LED 器件中的噪声。
“在高频测量中，苏黎世仪器的 MFLI 锁相放大器实现了从千赫兹到兆赫兹频段的精确表征。与其他锁相放大器相比，MFLI 具有出色的噪声性能，同时具备较大的动态范围，这对于研究 1/f 噪声十分重要。”
参考文献
[1] Sawyer, S., Rumyantsev, S. L., Shur, M. S., Pala, N., Bilenko, Yu., Zhang, J. P., Hu, X., Lunev, A., Deng, J., Gaska, R.; Current and optical noise of GaN/AlGaN light emitting diodes. J. Appl. Phys. 100, 034504 (2006) doi:10.1063/1.2204355.
[2] Lee, I.-H., Polyakov, A. Y., Hwang, S.-M., Shmidt, N. M., Shabunina, E. I., Tal'nishnih, N. A., Smirnov, N. B., Shchemerov, I. V., Zinovyev, R. A., Tarelkin, S. A., Pearton, S. J.; Degradation-induced low frequency noise and deep traps in GaN/InGaN near-UV LEDs. Appl. Phys. Lett. 111, 062103 (2017) doi:10.1063/1.4985190.
[3] Bohomolov, D., Ivanova, V., Schwarz, U.T.; Low- and High-Frequency Noise in LEDs. Phys. Status Solidi A 222, 2400869 (2025) doi:10.1002/pssa.202400869.
[4] Rimini-Doering, M., Hangleiter, A., Kloetzer, N.; Electron-hole-correlation effects in generation-recombination noise. Phys Rev B. 45, 1163 (1992) doi:10.1103/PhysRevB.45.1163.
