红色荧光体增强型硅基光电二极管的频谱响应研究*

李上宾，黄博扬，李国强，陈 明，罗江华，徐正元

（1. 中科院无线光电通信重点实验室，中国科学技术大学信息学院，合肥 230026；2. 华南理工大学，发光材料与器件国家重点实验室，广州 510640；3. 东南大学信息科学与工程学院，移动通信国家重点实验室，南京 210096；4. 佛山市南海区联合广东新光源产业创新中心，广东 佛山 528226）

红色荧光体增强型硅基光电二极管的频谱响应研究*

李上宾1†，黄博扬1，李国强2，陈 明3，罗江华4，徐正元1

（1. 中科院无线光电通信重点实验室，中国科学技术大学信息学院，合肥 230026；2. 华南理工大学，发光材料与器件国家重点实验室，广州 510640；3. 东南大学信息科学与工程学院，移动通信国家重点实验室，南京 210096；4. 佛山市南海区联合广东新光源产业创新中心，广东 佛山 528226）

一般硅基光电二极管对红光或红外光的响应要强于对蓝光或紫外光的响应。本文研究了在硅基二极管表面粘附红色荧光体对375 nm近紫外光响应的增强效应。实验结果表明：红色荧光体层粘附的光电二极管能有效提高对近紫外光的响应度、灵敏度，并且对硅基光电二极管频率响应带宽的影响并不显著。

硅基光电二极管；荧光粉；波长转换；可见光通信

0 引 言

提高硅基光电二极管对近紫外光及蓝光的响应一直是研究的热点。硅基光电二极管的峰值响应波长一般位于近红外光或红光波段。近年来的可见光通信[1-2]迫切需要蓝光探测器以提高信噪比，而一般的高速硅基光电二极管在蓝光波段及近紫外光波段的灵敏度和响应度低。采用波长转换材料可能是提高硅基光电二极管探测器蓝光及近紫外光波段灵敏度和响应度的一个值得尝试的方法。在医学及核物理方面，对结合荧光材料和光电二极管的X 光探测器已经有了较多的研究[3-4]。在太阳能电池方面，利用波长下转换或上转换荧光材料提高硅基太阳能电池对太阳光的转化效率的探索也引起了广泛的关注[5-9]。在光通信材料和器件领域，目前还较少见到相关的研究报道。

本文设计了一种硅胶混合红色荧光粉，涂覆在硅基PIN光电二极管探测窗口，验证是否可以通过波长下转换提高硅基光电二极管对近紫外光波段的响应。实验中，方波或正弦波调制的375 nm波长的近紫外激光以15 mW的平均光功率和100%的调制深度正向瞄准滨松光电二极管（S10783）圆形窗口的正中心。光电二极管的圆形探测窗口直径为0.8 mm，其630 nm处的探测灵敏度为0.45 A/W，375 nm处的探测灵敏度为0.13 A/W。实验中激光光束直径不超过0.8 mm。近紫外激光激发氮化物红色荧光粉 (SrCa)AlSiN3:Eu2+（三菱化学），如图1所示，红色荧光粉的主发射波长位于630 nm，并且在其激发谱中375 nm激发量子效率是460 nm处激发量子效率峰值的85%～90%。

图1 红色氮化物荧光粉 (SrCa)AlSiN3:Eu的激发谱和发射谱Fig. 1 The excitation and emission spectrum of the red phosphor (SrCa)AlSiN3:Eu

下文将实验比较研究有红色荧光胶层和没有红色荧光胶层两种结构下光电二极管的响应。

1 紫外激光激发红色荧光粉带宽测试

D50尺寸为11 nm的红色荧光粉末以0.5%的重量比混合在SilGel 612硅凝胶（德国瓦克）中，均匀涂于硅基PIN结构光电二极管S10783（日本滨松公司）的无色透明环氧树脂表面，室温8 h吸湿固化。荧光胶层的厚度在0.5 mm左右。

图2 实验装置Fig. 2 Experimental setup

如图2所示，发送端使用375 nm的近紫外激光器（Omicron，模拟调制带宽可以到200 MHz），分别发送1 MHz、10 MHz的方波以及扫频正弦波信号。接收端由被荧光粉胶层覆盖的硅基PIN光电二极管后面接入放大电路模块构成，放大后的信号通过示波器分析方波波形，用频谱仪测试带宽。这里，设计的放大电路对接收信号电压取了负号。

2 结果与讨论

如图3和图4所示，红色荧光粉层对光电二极管的响应有显著的影响。可以合理地猜测带发光层的光电二极管对以方波调制的近紫外激光响应包含两部分：①对直射或被荧光粉颗粒散射的375 nm近紫外光的响应；②对荧光粉受激发射的630 nm红光的响应。一般荧光粉的受激发射3 dB频率响应带宽在10 kHz～1 MHz之间。比较图3a和图3d可以很清楚地看到，由于红色荧光粉的频率响应带宽较小，即使375 nm近紫外光强度为零，红色荧光粉还会继续发光，导致接收信号不能回到零点。在本实验中采用的荧光粉3 dB带宽明显小于1 MHz。即使这样，比较图4a和图4d，也可以发现红色荧光粉胶层能使S10783光电二极管对10 MHz方波调制近紫外激光响应的信号峰峰值提高3 dB左右。这种红色荧光增强光电二极管频谱响应的内在机制将来需要实验结合理论模型进一步分析。经初步分析，其最可能的因素主要有两个：①荧光粉响应10 MHz激发光发射的红光导致的电信号不仅抵消了近紫外光散射吸收导致的电信号损失，还有所增益。这可能是由于硅基光电二极管对红光的响应要远大于对近紫外光的响应。②荧光粉层作为一个发光散射层，有效缓解了光电二极管接收激光信号时需要的精确瞄准。实际比较测试中，当没有荧光粉胶层时，激光光斑很难真正与光电二极管圆形窗口对准。我们也用蓝光LED比较测试过两种结构的光电二极管的响应，并得到了相似的结果。

另外也可以看到，不加反向偏压时的波形最好；加上反向偏压后，光电二极管后的放大电路引入频率为50 MHz且振幅抖动较大。当方波频率增大后，受50 MHz抖动的影响增大，波形严重失真。这种波形失真将来可通过高频屏蔽等办法处理。经过对接收信号进行滤波等处理，从上升沿时间可以看到，即使加了荧光粉层，接收端带宽依旧可以到几十兆赫兹。这主要是因为荧光粉的浓度比较小，光电二极管的高频响应信号主要来源于被散射或直射的375 nm近紫外光。进一步研究荧光粉胶层的浓度和形状对红色荧光体增强型硅基光电二极管的频谱响应的影响将是很有必要的。当荧光粉浓度变大时，更多的近紫外光被转化为红光，同时也有更多的近紫外光被散射，实际上相当于改变了光电探测器的外部量子效率、光谱响应曲线和频率响应曲线。如图5所示，红色荧光胶层可以提高硅基光电二极管对近紫外和蓝光波段的光电响应。

图3 带或不带红色荧光粉层光电二极管对1 MHz方波近紫外激光的接收响应波形：（a）加荧光粉层不加偏压；（b）加荧光粉层且加2 V偏压；（c）加荧光粉层且加3 V偏压；（d）不加荧光粉层且不加偏压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

图4 带或不带红色荧光粉层光电二极管对10 MHz方波近紫外激光的接收响应波形：（a）加荧光粉层不加偏压；（b）加荧光粉层且加2 V偏压；（c）加荧光粉层且加3 V偏压；（d）不加荧光粉层且不加偏压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

图5 红色荧光粉层对光电二极管光谱响应的影响，其中归一化因子是红色荧光粉层对627 nm波长红光的增益系数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

图6是带红色荧光粉层的光电二极管在不同偏压下对0～20 MHz扫频的375 nm激光响应的结果。不加偏压情况下，3 dB带宽约7.75 MHz，10 dB带宽超过20 MHz。2 V和3 V偏压情况下虽然波形严重失真，但扫频结果非常好，0～20 MHz一直平坦。从扫频结果还可以看出，存在比较严重的倍频现象，特别是加上偏压后接近50 MHz，也就是抖动频率的时候。

图6 带红色荧光粉层的光电二极管在不同反向偏压下的扫频响应Fig. 6 The frequency response of the photodiode with red phosphor layer under different values of the reverse bias voltage

3 结 论

通过实验比较研究了红色荧光体增强型硅基光电二极管的光波下转换特性对近紫外光频率响应的影响。 结果表明：红色荧光粉胶层能有效提高光电二极管对近紫外光的响应度、灵敏度，并且对硅基光电二极管频率响应带宽的影响并不显著。另外，荧光胶层也起着散射层的作用，可以显著提高光电二极管的光接收视场角。将来，我们需要针对具体应用场景优化红色荧光胶层的形状和胶层荧光粉的浓度，进一步提高硅基光电探测器对紫外和蓝光波段的外部量子效率和响应灵敏度。

[1] KOMINE T, NAKAGAWA M. Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights[J]. IEEE transactions on consumer electronics, 2004, 50(1): 100-107. DOI: 10.1109/TCE.2004.1277847.

[2] CUI K Y, CHEN G, XU Z Y, et al. Line-of-sight visible light communication system design and demonstration[C]// 2010 7th International Symposium on Communication Systems Networks and Digital Signal Processing (CSNDSP). Newcastle, UK: IEEE, 2010: 621-625.

[3] KALYVAS N, LIAPARINOS P, MICHAIL C, et al. Studying the luminescence efficiency of Lu2O3: Eu nanophosphor material for digital X-ray imaging applications[J]. Applied physics A, 2012, 106(1): 131-136. DOI: 10.1007/ s00339-011-6640-5.

[4] KALIVAS N, COSTARIDOU L, KANDARAKIS I, et al. Optical gain signal-to-noise ratio transfer efficiency as an index for ranking of phosphor-photodetector combinations used in X-ray medical imaging[J]. Applied physics A, 2004, 78(6): 915-919. DOI: 10.1007/s00339-003-2089-5.

[5] TRUPKE T, GREEN M A, WÜRFEL P. Improving solar cell efficiencies by up-conversion of sub-band-gap light[J]. Journal of applied physics, 2002, 92(7): 4117-4122. DOI: 10.1063/1.1505677.

[6] SHALAV A, RICHARDS B S, GREEN M A. Luminescent layers for enhanced silicon solar cell performance: Upconversion[J]. Solar energy materials and solar cells, 2007, 91(9): 829-842. DOI: 10.1016/ j.solmat.2007.02.007.

[7] TRUPKE T, GREEN M A, WÜRFEL P. Improving solar cell efficiencies by down-conversion of high-energy photons[J]. Journal of applied physics, 2002, 92(3): 1668-1674. DOI: 10.1063/1.1492021.

[8] RICHARDS B S. Luminescent layers for enhanced silicon solar cell performance: Down-conversion[J]. Solar energy materials and solar cells, 2006, 90(9): 1189-1207. DOI: 10.1016/j.solmat.2005.07.001.

[9] HUANG X Y, HAN S Y, HUANG W, et al. Enhancing solar cell efficiency: the search for luminescent materials as spectral converters[J]. Chemical society reviews, 2013, 42: 173-201. DOI: 10.1039/C2CS35288E.

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

李上宾 (1974-)，男，博士，副研究员，中国科学技术大学无线光通信与网络研究中心副研究员/副主任，主要从事LED可见光通信收发器件的设计、高速蓝光探测器研制及无线光电技术应用系统的研发。

黄博扬 (1992-)，男，硕士研究生，主要从事无线光通信中的光源与探测器特性研究。

李国强 (1979-)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事高性能光电半导体材料与器件制作方面的研究。

陈 明 (1968-)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向包括：现代信息论与编码，未来移动通信系统中的基带信号处理，移动通信系统中的无线资源管理分配算法研究。

罗江华 (1978-)，男，博士，副教授，主要从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，博士生导师，中国科学院无线光电通信重点实验室主任、中国科大无线光通信与网络研究中心主任、国家“千人计划”特聘专家、国家“973”项目首席科学家，曾为加州大学终身教授和UC-Light研究中心主任，主要从事宽光谱无线光通信和宽带移动通信理论与实验研究。

2015-12-21

2016-08-30

广东省重大科技专项（2014B010119001）

† 通信作者：李上宾，E-mail：shbli@ustc.edu.cn