一種光致發(fā)光和電致發(fā)光集成測量系統(tǒng)

毛繼強 劉輝攀 鄢松巖 潘爾怡 張韻

（江蘇大學(xué)）

一、引言

氮化鎵基半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、電子漂移速度高、抗輻射能力強和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等突出特點，在半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。目前，全球約25%的電力電能被照明所消耗，提高照明設(shè)施對能源的利用效率對經(jīng)濟、社會、資源和環(huán)境保護的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。而基于氮化物材料制備的LED，發(fā)出同樣亮度的光，其所需的電能消耗僅為傳統(tǒng)的白熾燈泡的1/10 不到。此外，基于氮化物材料制備的高電子遷移率晶體管具有輸出功率密度大、擊穿電壓高、抗輻射等特性，滿足下一代電子裝備對微波功率器件更大功率、更高頻率、更小體積和更惡劣條件高溫度下工作的要求。雖然無機氮化物材料在照明和功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢已經(jīng)被廣泛接受，但目前階段氮化物器件距離大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用仍有一段距離，最根本的原因就是缺少高質(zhì)量、大尺寸的氮化鎵晶體，對現(xiàn)有氮化鎵晶體進行細(xì)致的光電性質(zhì)的研究，是提高其晶體性質(zhì)的必要條件。

二、檢測原理

光譜表征手段是不可或缺的半導(dǎo)體表征手段，具有靈敏度高、無損傷等優(yōu)點，能夠表征半導(dǎo)體材料合金的組分含量、雜質(zhì)缺陷和結(jié)構(gòu)缺陷的類型以及內(nèi)部載流子的產(chǎn)生（注入）、輸運和復(fù)合機制等，而光致發(fā)光與電致發(fā)光是LED 最為常用表征手段。

1.光致發(fā)光原理

光致發(fā)光光譜（Photoluminescence，簡稱PL）的測量原理主要為：用光子能量大于被測樣品禁帶寬度的激光器照射樣品表面，被照射區(qū)域通過本征吸收獲取激光光子能量。激發(fā)被測樣品內(nèi)的電子向高能級躍遷，進而形成大量電子-空穴對。由于高能量電子不穩(wěn)定而自發(fā)向低能級躍遷，這一過程中多余的能量將以光子的形式被釋放出來。逃逸出被測樣品表面的一部分光子能有效地反應(yīng)出半導(dǎo)體材料中的能帶或是雜質(zhì)的能級，并可分為熒光（Fluorescence）和磷光（Phosphorescence），其帶有被測樣品的信息，對于GaN 基LED 通常只考慮通過檢測分析熒光即可獲得相關(guān)信息。

PL 測試作為一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的重要表征手段，由于其具有測試靈敏度高、對樣品無損傷等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體發(fā)光器件的合金組分、禁帶寬度、缺陷類型和結(jié)晶質(zhì)量等特性的表征。根據(jù)其光譜峰位能量、線寬和強度隨測試溫度、激發(fā)功率的變化，可進一步探究器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其發(fā)光機理。例如，當(dāng)溫度變化時，在低溫范圍內(nèi)，由于載流子活性差、非輻射復(fù)合中心未激活和線寬展寬并不明顯，易于觀察材料發(fā)光的精細(xì)結(jié)構(gòu)；在高溫范圍內(nèi)，由于載流子活性變大、非輻射復(fù)合中心被激活和線寬展寬，易于觀察材料的缺陷發(fā)光和判斷材料的生長質(zhì)量；當(dāng)激發(fā)功率變化時，由于材料內(nèi)部組分和結(jié)構(gòu)的不均，光譜中不同發(fā)光成份的峰位能量、線寬和強度會發(fā)生不一致的變化，易于分析材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化及其對載流子復(fù)合機制的影響。

圖1 光致發(fā)光原理圖

PL 系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)一般如圖2 所示，一束激光在經(jīng)過反射鏡等器件后使光束最終照射在被測樣品上，激發(fā)光逸出樣品表面經(jīng)過濾波片消除雜散光后通過透鏡耦合進入光譜儀，通過上位機觀測PL 光譜，并對其進行分析。

圖2 PL 光譜測量結(jié)構(gòu)圖

2.電致發(fā)光原理

電致發(fā)光（Electroluminescence，簡稱EL）是指電流通過物質(zhì)時或物質(zhì)處于強電場下發(fā)光的現(xiàn)象，包括本征式EL和注入式EL。本征式EL 指通過在半導(dǎo)體化合物中摻入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)作為發(fā)光中心而產(chǎn)生發(fā)光的現(xiàn)象；注入式EL 是通過電極將電子和空穴注入到晶體中，并在晶體內(nèi)復(fù)合發(fā)光的過程。

EL 系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)一般如圖3 所示，結(jié)構(gòu)與PL 測量系統(tǒng)十分相似，由于LED 通常為注入式EL 測試，所以只需將PL 測量系統(tǒng)中的激光換為了數(shù)字源表，作為直流激發(fā)源，并可去除濾光片來增加檢測的光譜波段。

圖3 EL 測量結(jié)構(gòu)圖

EL 系統(tǒng)通?？蓽y試樣品注入電流變化的EL 光學(xué)特性，又可測試樣品的I-V 電學(xué)特性。相比較于PL 測試，EL 測試不僅能夠分析半導(dǎo)體材料的缺陷態(tài)、載流子的分布及輸運情況，還能表征其光電轉(zhuǎn)換效率等特性。

三、集成測量系統(tǒng)設(shè)計

整套系統(tǒng)由微區(qū)選區(qū)以及光致發(fā)光與電致發(fā)光三部分組成，主要由數(shù)字源表、固體激光器、移動滑臺、反射鏡、二向色鏡、分光棱鏡、顯微鏡、CCD、光譜儀等光學(xué)元件組成，該系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)如圖4 所示，搭建實物如圖5 所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光路圖

圖5 系統(tǒng)實物圖

1.微區(qū)選區(qū)

樣品通過顯微鏡經(jīng)過分光棱鏡最終到達(dá)CCD，通過調(diào)節(jié)移動滑臺，可實現(xiàn)微米量級的選區(qū)功能，并且可直接觀察LED 的微米量級結(jié)構(gòu)。

2.電致發(fā)光光路

數(shù)字源表為LED 注入電流引起電子的躍遷、變化、復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光，通過透鏡耦合入光纖，最終到達(dá)光譜儀。通過控制數(shù)字源表所輸出的電壓和電流，可觀測LED 的I-V 曲線以及EL 光學(xué)特性曲線。

3.光致發(fā)光光路

作為激勵源的激光通過反射鏡、二向色鏡射入樣品表面引起電子能級躍遷，電子-空穴對復(fù)合發(fā)光，熒光經(jīng)過與EL相同的光路到達(dá)光譜儀。其中，二向色鏡可濾去由于鏡面反射引起的激光雜散光。

在光致發(fā)光光譜測量中所得到的是整個發(fā)光區(qū)域的平均效應(yīng)，為獲得更精細(xì)的信息必須采用微區(qū)光致發(fā)光，將激光直徑聚焦到微米量級激發(fā)材料微小區(qū)域發(fā)光，通過對這些區(qū)域的光譜分析和對比，能更好地研究量子阱的特性以及材料的缺陷。

四、性能驗證

1.光致發(fā)光

樣品的顯微鏡成像如圖6（a）所示，能夠較好地觀測到樣品的整體形貌，樣品中存在多跟微米線；PL 光譜如圖6（b）所示，可看到樣品的峰值出現(xiàn)在475nm 左右并伴隨一個衛(wèi)星峰。

圖6 微區(qū)光致發(fā)光實驗

2.電致發(fā)光

樣品的電致發(fā)光如圖7 所示，可看到此GaN 樣品的開啟電壓為2.3V，只有在此激發(fā)電壓以上才能掙脫電子核的束縛，實現(xiàn)電子的流動；另外，GaN 樣品的發(fā)光強度隨注入電壓提高而提升，注入電壓從2.4V 增加到2.6V 區(qū)間發(fā)光強度大幅增強，從2.6V 增加到3V 區(qū)間發(fā)光強度的增強放緩，發(fā)光峰在460nm 左右，并且隨著電壓的增加發(fā)光峰發(fā)生藍(lán)移，半高寬也不斷增大。

圖7 電致發(fā)光實驗

五、結(jié)論

本文探究了光致發(fā)光與電致發(fā)光檢測設(shè)備的原理和基本結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上，提出了一套采用固體激光器與數(shù)字源表作為激發(fā)源的微區(qū)光致發(fā)光和電致發(fā)光集成測量分析系統(tǒng)。通過樣品測試，可以得出此套系統(tǒng)能方便有效地對氮化鎵樣品的光電特性進行分析和研究。