LED材料特性檢測技術(shù)——PL技術(shù)

前言

　　近年來，由于白光LED無論在發(fā)光效率、功耗、壽命和環(huán)保等方面都具備傳統(tǒng)光源無法比擬的優(yōu)勢，使得白光LED逐漸取代白熾燈泡和日光燈，又隨著各國政府紛紛宣布并提出禁用白熾燈泡的時(shí)間表，更加加速了這個(gè)趨勢。

　　以白光LED的產(chǎn)生的機(jī)制可分為叁種如圖1所示，（a）由日亞化工所提出的將藍(lán)光磊芯片再加上Nd-YAG螢光體轉(zhuǎn)換為白光LED［1，2］。（b）用紫光磊芯片加上RGB叁色螢光體轉(zhuǎn)換為白光LED，目前仍在實(shí)驗(yàn)階段。［3-5］（c）使用RGB叁種磊芯片混成白光LED［6，7］。目前市面上產(chǎn)品多以藍(lán)光磊芯片再加上Nd-YAG螢光體轉(zhuǎn)換為白光LED為主，所以如何提高藍(lán)光磊芯片的發(fā)光效率對白光LED的發(fā)展而言至關(guān)重要。

　　圖1 白光LED的產(chǎn)生的機(jī)制（a）Blue LED+YAG Phosphor（b）UV LED+RGB Phosphor（c）RGB LED

　　半導(dǎo)體LED的發(fā)光效率取決于材料本身的特性，當(dāng)LED注入額外載子后，額外載子的復(fù)合分為輻射復(fù)合（能帶的額外載子復(fù)合后發(fā)出光）與非輻射復(fù)合（聲子復(fù)合放出熱與歐杰復(fù)合）兩個(gè)機(jī)制，另外能帶間的缺陷能階亦會(huì)捕捉額外載子，降低額外載子復(fù)合的機(jī)會(huì)。因此近幾年來許多研究團(tuán)隊(duì)為了研究如何提高LED的發(fā)光效率，紛紛借由螢光量測技術(shù)分析探討其發(fā)光機(jī)制。

　　螢光發(fā)光機(jī)制

　　螢光是一種電磁輻射放射的現(xiàn)象。對于任何材料而言，入射光子能量等于或是超過能帶時(shí)，便會(huì)激發(fā)價(jià)電帶電子跨過能帶到達(dá)導(dǎo)電帶，當(dāng)激發(fā)態(tài)的電子由導(dǎo)電帶回到價(jià)電帶時(shí)便會(huì)產(chǎn)生輻射放射，產(chǎn)生過程主要分為叁個(gè)階段如圖2所示。（a）為激發(fā)，額外載子的產(chǎn)生與激發(fā)（b）為能量釋放和復(fù)合，激發(fā)態(tài)的額外載子之能量釋放并復(fù)合（c）為螢光產(chǎn)生，復(fù)合后產(chǎn)生的螢光光子訊號(hào)。

　　圖2 螢光產(chǎn)生過程

　　其中產(chǎn)生螢光之方式大致分為兩類，分別為以高于或等于能隙能量之光子照射樣品來產(chǎn)生額外載子，或以電子注入之方式增加載子濃度以增加螢光光子產(chǎn)生之機(jī)率，借此提升量測螢光訊號(hào)之強(qiáng)度。此兩類方式分別稱為光激發(fā)螢光（photoluminescence，以下簡稱PL）及電激發(fā)螢光，LED的發(fā)光塬理便為電激發(fā)螢光，然而電激發(fā)螢光的量測必須嵌入電極，這就表示在嵌入電極之前的制程中必須使用光激發(fā)螢光做量測。

　　自從雷射可用來提供足夠的功率激發(fā)訊號(hào)后［8］，入射光便開始使用雷射光源。當(dāng)激發(fā)態(tài)電子回到基態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光子，也可能產(chǎn)生許多的聲子。假設(shè)使用的光源為連續(xù)波，以此激發(fā)的螢光，可當(dāng)作穩(wěn)態(tài)，試片受到光源照射而連續(xù)地發(fā)出螢光［9］，雷射光譜與激發(fā)之螢光光譜如圖 3. 。

　　圖3 雷射與激發(fā)之螢光光譜圖

　　如圖4由Alexander Jablonski所提出的Jablonski energy diagram ［10］中可知，入射光的吸收和入射光子的波長亦即能量有關(guān)，故材料的吸收和入射光源的波長有關(guān)。