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)過一段時間，電子將釋放能量至較低的能態(tài)。雜質(zhì)與缺陷會在能隙之中形成各種能階，而其對應的能量會由輻射復合過程產(chǎn)生放射如光激發(fā)螢光，或者是經(jīng)由非輻射復合過程產(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電帶等能帶轉(zhuǎn)換會發(fā)出螢光，缺陷也會造成螢光的產(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電帶電動復合，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被缺陷捕捉（c）缺陷捕獲的電子與價電帶電動復合

　　光激發(fā)螢光量測

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

　　圖6 PL光譜儀架構(gòu)圖

　　由于藍光LED能帶約在2.75 eV左右，激發(fā)源選用波長為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在量測的過程中改變塬本的特性，配合mapping技術(shù)或?qū)⒂嵦柦邮掌鞲臑镃CD，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，于量測時不需電極可監(jiān)控制成過程中每一個步驟的變化，此為PL量測技術(shù)導入LED Wafer產(chǎn)線的優(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(shù)與能階寬度圖中，連接氮化鎵與氮化銦兩點的拋物曲線便是氮化銦鎵，隨著氮化銦鎵中的銦含量增加，其能階寬度變小［13，14］，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(shù)，進而求出LED的內(nèi)部發(fā)光效率以提供元件設計之驗證，量測時不需電極，在制程時任一步驟，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。

　　結(jié)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)，無論在產(chǎn)品的量產(chǎn)和開發(fā)上都有很好應用。