PL技术用于LED材料特性检测

前言

近年来,由于白光LED无论在发光效率、功耗、寿命和环保等方面都具备传统光源无法比拟的优势,使得白光LED慢慢取代了白炽灯泡和日光灯,随着各国政府纷纷宣布并提出禁用白炽灯泡的时间表,更加速了这个趋势。

以白光LED的产生的机制可分为三种如图1所示,(a)由日亚化工所提出的将蓝光磊芯片再加上Nd-YAG萤光体转换为白光LED[1,2]。(b)用紫光磊芯片加上RGB三色萤光体转换为白光 LED,目前仍在实验阶段。[3-5](c)使用RGB三种磊芯片混成白光LED[6,7]。目前市面上产品多以蓝光磊芯片再加上Nd-YAG萤光体转换为白光LED为主,所以如何提高蓝光磊芯片的发光效率对白光LED的发展而言至关重要。

图 1 白光LED的产生的机制(a) Blue LED +YAG Phosphor (b) UV LED + RGB Phosphor (c) RGB LED

半导体LED的发光效率取决于材料本身的特性,当LED注入额外载子后,额外载子的复合分为辐射复合(能带的额外载子复合后发出光)与非辐射复合(声子复合放出热与欧杰复合)两个机制,另外能带间的缺陷能阶亦会捕捉额外载子,降低额外载子复合的机会。因此近几年來许多研究团队为了研究如何提高LED的发光效率,纷纷借由萤光量测技术分析探讨其发光机制。

萤光发光机制

萤光是一种电磁辐射放射的现象。对于任何材料而言,入射光子能量等于或是超过能带时,便会激发价电带电子跨过能带到达导电带,当激发态的电子由导电带回到价电带时便会产生辐射放射,产生过程主要分为三个阶段如图 2所示。(a)为激发,额外载子的产生与激发(b)为能量释放和复合,激发态的额外载子之能量释放并复合(c)为萤光产生,复合后产生的萤光光子讯号。


 
图 2 萤光产生过程

其中产生萤光之方式大致分为两类,分别为以高于或等于能隙能量之光子照射样品来产生额外载子,或以电子注入之方式增加载子浓度以增加萤光光子产生之机率,借此提升量测萤光讯号之强度。此两类方式分别称为光激发萤光(photoluminescence,以下简称PL)及电激发萤光,LED的发光原理便为电激发萤光,然而电激发萤光的量测必须嵌入电极,这就表示在嵌入电极之前的制程中必须使用光激发萤光做量测。

自从雷射可用来提供足够的功率激发讯号后[8],入射光便开始使用雷射光源。当激发态电子回到基态时,会产生一个光子,也可能产生许多的声子。假设使用的光源为连续波,以此激发的萤光,可当作稳态,试片受到光源照射而连续地发出萤光[9],雷射光谱与激发之萤光光谱如图 3. 。


 
图 3 雷射与激发之萤光光谱图

如图 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长亦即能量有关,故材料的吸收和入射光源的波长有关。

图 4 Jablonski energy diagram [10]

当样品吸收了入射光后将电子激发到更高的能态,经过一段时间,电子将释放能量至较低的能态。杂质与缺陷会在能隙之中形成各种能阶,而其对应的能量会由辐射复合过程产生放射如光激发萤光,或者是经由非辐射复合过程产生吸收[8][11],如声子放射,缺陷捕捉,或欧杰效应[12]。

除了上述中导电带与价电带等能带转换会发出萤光,缺陷也会造成萤光的产生,如图5所示。其中EC、EV和ED分别为导电带、价电带与缺陷能带,其中,缺陷能带分布在EC与EV之间,位置与数量视材料品质而定,图 5中(a)为能带间的电子电洞对复合,(b)和(c)都属于缺陷的复合,(b)为导电带的电子被能带间的缺陷捕捉,(c)为缺陷捕获的电子与价电带电动复合,发出的萤光波段视电子与电洞复合前能带的距离而定。


 
图5    辐射复合(a)能带间的电子电洞对复合(b)若能带间有缺陷电子会被缺陷捕捉(c)缺陷捕获的电子与价电带电动复合

光激发萤光量测

PL光谱仪主要架构有激发源、讯号接收器(spectrometer)、讯号处理器(computer)与低温系统,架构图如图6。


 
图6    PL光谱仪架构图

由于蓝光LED能带约在2.75 eV左右,激发源选用波长为325 nm(能量为3.8 eV)、375 nm(能量为3.3 eV)与405 nm(能量为3 eV) 大于其能帯之雷射,光谱仪扫描范围在350 nm到700 nm之间,另外由于温度对辐射复合的萤光强度有很大的影响,量测环境必须做温度控制。以量测蓝光LED为例,PL萤光光谱图如图7,激发源为波长405 nm雷射,蓝光LED波峰位置在461 nm,半高宽为25.2 nm。


 
图7 PL萤光光谱图

PL导入LED材料分析的优势

因PL快速量测的特性可适应LED产线上的生产速度,且以非接触与非破坏性的量测可确保样品不会在量测的过程中改变原本的特性,配合mapping技术或将讯号接收器改为CCD,可得到样品空间分布的特性,得知制程的均匀性以回馈MOCVD的制程,于量测时不需电极可监控制成过程中每一个步骤的变化,此为PL量测技术导入LED Wafer产线的优势。

于LED元件设计及验证方面,以蓝光LED常用的材料氮化铟镓为例,由于在晶格常數与能阶宽度图中,連接氮化镓与氮化铟兩点的抛物曲线便是氮化铟镓,随着氮化铟镓中的铟含量增加,其能阶宽度变小[13,14],所以可由PL萤光光谱波峰的位置,得知氮化铟镓中的铟含量,可借由调变激发源的雷射强度与量测萤光光谱强度可拟合出LED发光效率的相关系数,进而求出LED的内部发光效率以提供元件设计之验证,量测时不需电极,在制程时任一步骤,皆可调变制程参数,或选用不同制程方式,比较PL萤光光谱以优化出最佳制程条件等优势。

结论

PL为一快速、非接触性、非破坏性之可量测样品空间分布的量测技术,无论在产品的量产和开发上都有很好应用。

(作者:工研院量测中心/叶佳良)

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