LED材料特性检测技术——PL技术

　　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逐渐取代白炽灯泡和日光灯，又随着各国政府纷纷宣布并提出禁用白炽灯泡的时间表，更加加速了这个趋势。

　　以白光LED的产生的机制可分为叁种如图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叁色萤光体转换为白光LED，目前仍在实验阶段。［3-5］（c）使用RGB叁种磊芯片混成白光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。因此近几年来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，产生过程主要分为叁个阶段如图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的发光塬理便为电激发萤光，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