一种光致发光和电致发光集成测量系统.pdf

技术协作信息技术探讨与推广一种光致发光和电致发光集成测量系统毛继强 刘辉攀 鄢松岩 潘尔怡 张韵（江苏大学）摘要：在电致发光系统的结构基础上，采用固体激光器作为激发光源研制了一套微区光致发光和电致发光集成测量分析系统。通过本套系统对样品光致发光光谱进行探测，其峰值在 475nm 处并且伴随一个卫星峰，对其进行电致发光光谱探测，可观测到不同电压下的发光强度，能有效地对样品的光电特性进行分析和研究。该系统集成了两种 LED 的表征手段，为样品的测试提供了一种有效方法。关键词：微区光致发光；电致发光；集成测量；LED一、引言氮化镓基半导体材料具有禁带宽度大、击穿电压高、电子漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等突出特点，在半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器等领域具有广泛的应用。目前，全球约 25%的电力电能被照明所消耗，提高照明设施对能源的利用效率对经济、社会、资源和环境保护的协调可持续发展具有重要意义。而基于氮化物材料制备的 LED，发出同样亮度的光，其所需的电能消耗仅为传统的白炽灯泡的 1/10 不到。此外，基于氮化物材料制备的高电子迁移率晶体管具有输出功率密度大、击穿电压高、抗辐射等特性，满足下一代电子装备对微波功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣条件高温度下工作的要求。虽然无机氮化物材料在照明和功率器件领域的应用优势已经被广泛接受，但目前阶段氮化物器件距离大规模商业应用仍有一段距离，最根本的原因就是缺少高质量、大尺寸的氮化镓晶体，对现有氮化镓晶体进行细致的光电性质的研究，是提高其晶体性质的必要条件。二、检测原理光谱表征手段是不可或缺的半导体表征手段，具有灵敏度高、无损伤等优点，能够表征半导体材料合金的组分含量、杂质缺陷和结构缺陷的类型以及内部载流子的产生（注入）、输运和复合机制等，而光致发光与电致发光是 LED 最为常用表征手段。1.光致发光原理光致发光光谱（Photoluminescence，简称 PL）的测量原理主要为：用光子能量大于被测样品禁带宽度的激光器照射样品表面，被照射区域通过本征吸收获取激光光子能量。激发被测样品内的电子向高能级跃迁，进而形成大量电子-空穴对。由于高能量电子不稳定而自发向低能级跃迁，这一过程中多余的能量将以光子的形式被释放出来。逃逸出被测样品表面的一部分光子能有效地反应出半导体材料中的能带或是杂质的能级，并可分为荧光（Fluorescence）和磷光（Phosphorescence），其带有被测样品的信息，对于 GaN 基LED 通常只考虑通过检测分析荧光即可获得相关信息。PL 测试作为一种半导体发光器件的重要表征手段，由于其具有测试灵敏度高、对样品无损伤等优点，被广泛地应用于半导体发光器件的合金组分、禁带宽度、缺陷类型和结晶质量等特性的表征。根据其光谱峰位能量、线宽和强度随测试温度、激发功率的变化，可进一步探究器件的内部结构及其发光机理。例如，当温度变化时，在低温范围内，由于载流子活性差、非辐射复合中心未激活和线宽展宽并不明显，易于观察材料发光的精细结构；在高温范围内，由于载流子活性变大、非辐射复合中心被激活和线宽展宽，易于观察材料的缺陷发光和判断材料的生长质量；当激发功率变化时，由于材料内部组分和结构的不均，光谱中不同发光成份的峰位能量、线宽和强度会发生不一致的变化，易于分析材料内部结构的变化及其对载流子复合机制的影响。图 1 光致发光原理图窑窑技术协作信息技术探讨与推广PL 系统的光路结构一般如图 2 所示，一束激光在经过反射镜等器件后使光束最终照射在被测样品上，激发光逸出样品表面经过滤波片消除杂散光后通过透镜耦合进入光谱仪，通过上位机观测 PL 光谱，并对其进行分析。图 2 PL 光谱测量结构图2.电致发光原理电致发光（Electroluminescence，简称 EL）是指电流通过物质时或物质处于强电场下发光的现象，包括本征式 EL和注入式 EL。本征式 EL 指通过在半导体化合物中掺入适当的杂质作为发光中心而产生发光的现象；注入式 EL 是通过电极将电子和空穴注入到晶体中，并在晶体内复合发光的过程。EL 系统的光路结构一般如图 3 所示，结构与 PL 测量系统十分相似，由于 LED 通常为注入式 EL 测试，所以只需将PL 测量系统中的激光换为了数字源表，作为直流激发源，并可去除滤光片来增加检测的光谱波段。图 3 EL 测量结构图EL 系统通常可测试样品注入电流变化的 EL 光学特性，又可测试样品的 I-V 电学特性。相比较于 PL 测试，EL 测试不仅能够分析半导体材料的缺陷态、载流子的分布及输运情况，还能表征其光电转换效率等特性。三、集成测量系统设计整套系统由微区选区以及光致发光与电致发光三部分组成，主要由数字源表、固体激光器、移动滑台、反射镜、二向色镜、分光棱镜、显微镜、CCD、光谱仪等光学元件组成，该系统光路结构如图 4 所示，搭建实物如图 5 所示。图 4 系统结构光路图图 5 系统实物图1.微区选区样品通过显微镜经过分光棱镜最终到达 CCD，通过调节移动滑台，可实现微米量级的选区功能，并且可直接观察LED 的微米量级结构。2.电致发光光路数字源表为 LED 注入电流引起电子的跃迁、变化、复合导致发光，通过透镜耦合入光纤，最终到达光谱仪。通过控制数字源表所输出的电压和电流，可观测 LED 的 I-V 曲线以及EL 光学特性曲线。3.光致发光光路作为激励源的激光通过反射镜、二向色镜射入样品表面引起电子能级跃迁，电子-空穴对复合发光，荧光经过与 EL相同的光路到达光谱仪。其中，二向色镜可滤去由于镜面反射引起的激光杂散光。在光致发光光谱测量中所得到的是整个发光区域的平均效应，为获得更精细的信息必须采用微区光致发光，将激光直径聚焦到微米量级激发材料微小区域发光，通过对这些窑窑技术协作信息区域的光谱分析和对比，能更好地研究量子阱的特性以及材料的缺陷。四、性能验证1.光致发光样品的显微镜成像如图 6（a）所示，能够较好地观测到样品的整体形貌，样品中存在多跟微米线；PL 光谱如图 6（b）所示，可看到样品的峰值出现在 475nm 左右并伴随一个卫星峰。a）样品结构图b）光谱图图 6 微区光致发光实验2.电致发光样品的电致发光如图 7 所示，可看到此 GaN 样品的开启电压为 2.3V，只有在此激发电压以上才能挣脱电子核的束缚，实现电子的流动；另外，GaN 样品的发光强度随注入电压提高而提升，注入电压从 2.4V 增加到 2.6V 区间发光强度大幅增强，从 2.6V 增加到 3V 区间发光强度的增强放缓，发光峰在 460nm 左右，并且随着电压的增加发光峰发生蓝移，半高宽也不断增大。图 7 电致发光实验五、结论本文探究了光致发光与电致发光检测设备的原理和基本结构，并在此基础上，提出了一套采用固体激光器与数字源表作为激发源的微区光致发光和电致发光集成测量分析系统。通过样品测试，可以得出此套系统能方便有效地对氮化镓样品的光电特性进行分析和研究。参考文献：1CARDESIN J，GARCIA-LLERA D，LOPEZ-COROMINASEet al.Lowcost intelligent LED driver for public Lighting Smart Grids C.2013 Interna-tional Conference on New Concepts in Smart Cities:Fostering Public and Pri-vate Alliances.IEEE,2013.2杨超普，方文卿，杨岚等.MOCVD 外延生长原位光致发光谱测量方法J.人工晶体学报，2018，47(11)：2316-2321.3Joseph R.Lakowicz.Principles of fluorescence spectroscopy,3rd EitionJ.Anal Bioanal Chem,2008,390(5)4-6.4 陈国珍，黄贤智，许金钩等 荧光分析法 M.北京：科学出版社，1990，10-2125黄贤智光学与光谱技术M.北京：原子能出版社，1985，4：10-105基金项目：江苏大学 2020 年大学生创新创业训练计划项目，项目编号：202010299554X作者简介：毛继强（2000.06-），男，汉族，上海人，江苏大学本科就读，研究方向：光电检测。技术探讨与推广窑窑