LED材料特性檢測(cè)技術(shù)——PL技術(shù)

　　當(dāng)樣品吸收了入射光后將電子激發(fā)到更高的能態(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間，電子將釋放能量至較低的能態(tài)。雜質(zhì)與缺陷會(huì)在能隙之中形成各種能階，而其對(duì)應(yīng)的能量會(huì)由輻射復(fù)合過程產(chǎn)生放射如光激發(fā)螢光，或者是經(jīng)由非輻射復(fù)合過程產(chǎn)生吸收［8］［11］，如聲子放射，缺陷捕捉，或歐杰效應(yīng)［12］。

　　除了上述中導(dǎo)電帶與價(jià)電帶等能帶轉(zhuǎn)換會(huì)發(fā)出螢光，缺陷也會(huì)造成螢光的產(chǎn)生，如圖5所示。其中EC、EV和ED分別為導(dǎo)電帶、價(jià)電帶與缺陷能帶，其中，缺陷能帶分布在EC與EV之間，位置與數(shù)量視材料品質(zhì)而定，圖 5中（a）為能帶間的電子電洞對(duì)復(fù)合，（b）和（c）都屬于缺陷的復(fù)合，（b）為導(dǎo)電帶的電子被能帶間的缺陷捕捉，（c）為缺陷捕獲的電子與價(jià)電帶電動(dòng)復(fù)合，發(fā)出的螢光波段視電子與電洞復(fù)合前能帶的距離而定。

　　圖5 輻射復(fù)合（a）能帶間的電子電洞對(duì)復(fù)合（b）若能帶間有缺陷電子會(huì)被缺陷捕捉（c）缺陷捕獲的電子與價(jià)電帶電動(dòng)復(fù)合

　　光激發(fā)螢光量測(cè)

　　PL光譜儀主要架構(gòu)有激發(fā)源、訊號(hào)接收器（spectrometer）、訊號(hào)處理器（computer）與低溫系統(tǒng)，架構(gòu)圖如圖6。

　　圖6 PL光譜儀架構(gòu)圖

　　由于藍(lán)光LED能帶約在2.75 eV左右，激發(fā)源選用波長(zhǎng)為325 nm（能量為3.8 eV）、375 nm（能量為3.3 eV）與405 nm（能量為3 eV） 大于其能帯之雷射，光譜儀掃描范圍在350 nm到700 nm之間，另外由于溫度對(duì)輻射復(fù)合的螢光強(qiáng)度有很大的影響，量測(cè)環(huán)境必須做溫度控制。以量測(cè)藍(lán)光LED為例，PL螢光光譜圖如圖7，激發(fā)源為波長(zhǎng)405 nm雷射，藍(lán)光LED波峰位置在461 nm，半高寬為25.2 nm。

　　圖7 PL螢光光譜圖

　　PL導(dǎo)入LED材料分析的優(yōu)勢(shì)

　　因PL快速量測(cè)的特性可適應(yīng)LED產(chǎn)線上的生產(chǎn)速度，且以非接觸與非破壞性的量測(cè)可確保樣品不會(huì)在量測(cè)的過程中改變塬本的特性，配合mapping技術(shù)或?qū)⒂嵦?hào)接收器改為CCD，可得到樣品空間分布的特性，得知制程的均勻性以回饋MOCVD的制程，于量測(cè)時(shí)不需電極可監(jiān)控制成過程中每一個(gè)步驟的變化，此為PL量測(cè)技術(shù)導(dǎo)入LED Wafer產(chǎn)線的優(yōu)勢(shì)。

　　于LED元件設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方面，以藍(lán)光LED常用的材料氮化銦鎵為例，由于在晶格常數(shù)與能階寬度圖中，連接氮化鎵與氮化銦兩點(diǎn)的拋物曲線便是氮化銦鎵，隨著氮化銦鎵中的銦含量增加，其能階寬度變?。?3，14］，所以可由PL螢光光譜波峰的位置，得知氮化銦鎵中的銦含量，可借由調(diào)變激發(fā)源的雷射強(qiáng)度與量測(cè)螢光光譜強(qiáng)度可擬合出LED發(fā)光效率的相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而求出LED的內(nèi)部發(fā)光效率以提供元件設(shè)計(jì)之驗(yàn)證，量測(cè)時(shí)不需電極，在制程時(shí)任一步驟，皆可調(diào)變制程參數(shù)，或選用不同制程方式，比較PL螢光光譜以優(yōu)化出最佳制程條件等優(yōu)勢(shì)。

　　結(jié)論

　　PL為一快速、非接觸性、非破壞性之可量測(cè)樣品空間分布的量測(cè)技術(shù)，無(wú)論在產(chǎn)品的量產(chǎn)和開發(fā)上都有很好應(yīng)用。