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LED外延测试仪器的原理与应用 EPI_3 工艺工程师 李锐 2011年9月13日 目录 一、光致发光（PL） 二、电致发光（EL） 三、X射线衍射仪（XRD） 四、霍尔测量仪（Hall） 五、二次粒子质谱仪（SIMS） 一、光致发光（PL：Photoluminescence） ? 用光激发发光体引起的发光现象。 ? 它大致经过吸收、能量传递及光发射三个主要阶段。光 的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁，都经过激发态。 ? PL是一种运用外来光源照射待测样品，使之发出荧光的 一种非破坏性检测技术。经由能量高于样品能隙的外来光 源激发，使得原本在价带的电子，有机会跃迁到更高能 阶；因此，在原本的价带便留下一个空穴，而形成电子-空 穴对。这组电子-空穴对，如果以辐射耦合的方式结合，就 可以放出一个光子。当然，也有可能是以热能或其它能量 的方式放出。对于因辐射耦合而放出的光，因其是由外来 光源的激发所形成的，所以通常称之为“光致荧光” 原理 当激发光源照射在待测样品上，利用入射光子能量大于半导体材料 的能隙，将电子由价带(valence band)激发到导带(conduction band) 。 而在非常短的时间之内，大部分的高阶电子(空穴)会释放声子或其它过 程，蜕化到导带(价带)的最低能阶，之后再藉由电子空穴对再结合 (electron-hole pair recombination) 而放出荧光。 过程 PL量测原理 将用于激发的激光束聚焦后照射光电材料外延片表面，这时在照射点处将出 现光致发光现象。从照射点处发出的荧光经光谱仪后被线阵CCD探测器收集，经 数据转换后被计算机所记录，这样就可以得到照射点处光致荧光的光谱。通过扫 描方式对样品表面进行逐点测量后，再经过计算机进行谱线成像处理就可以得到 样品表面的光谱和光强等信号的分布图。整个测量过程由计算机控制并显示测量 结果。所有测量数据可以离线显示和进行数据处理。 PL谱仪测外延片厚度原理 当一束白光垂直入射到一定厚度的薄膜上时，假设薄膜的折射率大 于衬底的折射率，设空气、薄膜、衬底的折射率为n0、n1、n2，则 n0n1n2， 当光入射薄膜之间时，一部分光发生反射强度为I01，一部分 发生折射透过界面射入介质中，当传输到衬底表面时又有一部分发生反 射为I12，一部分发生折射透过衬底射出去；其中的I12又会在薄膜上表 明面发生反射和透射，透射出去的部分为I120，则I01与I120会在薄膜表 面发生干涉，两束光的光程差公式为：ΔL＝2n1h-1/2λ，其中光在1~2 界面发生反射时产生了半波损失，所以公式中有个1/2λ,另外其实n是波 长的函数不是定值。干涉强度的极大（亮纹）和极小（暗纹）分别位于 以下地方： ΔL＝2n1h-1/2λ=Kλ （极大） H=(2k+1) λ/4n1 (极大） ΔL＝2n1h－1/2λ=Kλ+1/2λ H=(k+1) λ/2n1 (极小） （极小） 由上式可以求出膜厚 PL谱仪测外延片厚度原理 光子的波长为： λ＝hc/(Eh-El) 式中：发出光子的波长，h普朗克常数，c光速，Eh电子在高能 级时的能量，El电子在低能级时的能量。 PL软件界面图 光谱中的重要技术参数 ?发光强度 ?峰值波长WLP ?主波长WLD ?半峰宽FWHM 二、电致发光 Electroluminescence ? 电致发光与光致发光类似，不同的是电致发光是在PN结 加电压，产生少数载流子而复合发光的。 ? 电致发光的两种类型： ? 撞击式电致发光：电压直接或者间接的加在电极之间而引 起的发光，如通常的日光灯的发光。 ? 电荷注入的电致发光：电压加在直接固定于单晶半导体 （如GaN）PN结电极上，由于载流子的注入而引起发 光，如LED发光。 ? 电致发光是电能转换为光能的过程。 ? EL测试主要测试内容： 外延片点测波长、电压、亮度的测试 ? 波长、电压、亮度的测量 ? 在需测外延片正面玄边的刻字右上方用金钢刀划一横 （约 0.5毫米），感觉有粗糙感即可，并在此划横上粘上铟球形 成N电极，再在此外延片的中间、玄边、玄对边、分别粘上铟 球形成P电极。 ? 将此外延片放在平台的光电二极管上，将要测的点放在光电 二极管的正中央，用负电极棒（灰色棒）点在有划横的 N电极 铟球上，用正电极棒点在P电极铟球上，按从1到5点依次从恒 流电源设备上读显示的电压数，在万用表上读亮度数，在电 脑上显示波峰的最高点处读波长数，这些数字需稳定后做记 录，尤其是电压。 三、X射线衍射 1885年伦琴发现，受高速电子撞击的金属会发射一种穿透 性很强的射线称Ｘ射线。 (0 .04 ~ 10 nm) X 射线 劳厄斑点 冷却水 E 2 P K E 1 铅板 单晶片的衍射 1912年劳厄实