一种光致发光和电致发光集成测量系统
时间：2023-06-15 19:25:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
毛继强 刘辉攀 鄢松岩 潘尔怡 张韵
（江苏大学）
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。
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
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。
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。
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。
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
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。
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