LED材料特性檢測技術(shù)――PL技術(shù)

　　當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(guò)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，而其對應的能量會(huì )由輻射復合過(guò)程產(chǎn)生放射如光激發(fā)螢光，或者是經(jīng)由非輻射復合過(guò)程產(chǎn)生吸收［8］［11］，如聲子放射，缺陷捕捉，或歐杰效應［12］。

　　除了上述中導電帶與價(jià)電帶等能帶轉換會(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，位置與數量視材料品質(zhì)而定，圖 5中（a）為能帶間的電子電洞對復合，（b）和（c）都屬于缺陷的復合，（b）為導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)復合，發(fā)出的螢光波段視電子與電洞復合前能帶的距離而定。

　　圖5 輻射復合（a）能帶間的電子電洞對復合（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)復合

　　光激發(fā)螢光量測

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

　　圖6 PL光譜儀架構圖

　　由于藍光LED能帶約在2.75 eV左右，激發(fā)源選用波長(cháng)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≈雷射，光譜儀掃描范圍在350 nm到700 nm之間，另外由于溫度對輻射復合的螢光強度有很大的影響，量測環(huán)境必須做溫度控制。以量測藍光LED為例，PL螢光光譜圖如圖7，激發(fā)源為波長(cháng)405 nm雷射，藍光LED波峰位置在461 nm，半高寬為25.2 nm。

　　圖7 PL螢光光譜圖

　　PL導入LED材料分析的優(yōu)勢

　　因PL快速量測的特性可適應LED產(chǎn)線(xiàn)上的生產(chǎn)速度，且以非接觸與非破壞性的量測可確保樣品不會(huì )在量測的過(guò)程中改變塬本的特性，配合mapping技術(shù)或將訊號接收器改為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，于量測時(shí)不需電極可監控制成過(guò)程中每一個(gè)步驟的變化，此為PL量測技術(shù)導入LED Wafer產(chǎn)線(xiàn)的優(yōu)勢。

　　于LED元件設計及驗證方面，以藍光LED常用的材料氮化銦鎵為例，由于在晶格常數與能階寬度圖中，連接氮化鎵與氮化銦傻愕吶孜鍇線(xiàn)便是氮化銦鎵，隨著(zhù)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，可借由調變激發(fā)源的雷射強度與量測螢光光譜強度可擬合出LED發(fā)光效率的相關(guān)系數，進(jìn)而求出LED的內部發(fā)光效率以提供元件設計之驗證，量測時(shí)不需電極，在制程時(shí)任一步驟，皆可調變制程參數，或選用不同制程方式，比較PL螢光光譜以?xún)?yōu)化出最佳制程條件等優(yōu)勢。

　　結論

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