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1、PL技术用于LED材料特性检测前言 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慢慢取代了白炽灯泡和日光灯，随着各国 政府纷纷宣布并提出禁用白炽灯泡的时间表，更加速了这个趋势。以白光LED的产生的机制可分为三种如图1所示，(a)由日亚化工所提出的将蓝 光磊芯片再加上Nd-YAG荧光体转换为白光LED1,2。(b)用紫光磊芯片加上 RGB三色荧光体转换为白光LED，目前仍在实验阶段。3-5(c)使用RGB三种 磊芯片混成白光LED6,7。目前市面上产品多以蓝光磊芯片再加上Nd-YAG荧 光体转换为白光LED为主，所以如何提咼蓝光磊芯片
2、的发光效率对白光LED的 发展而言至关重要。(a.) Blue LED +YAG Phosphor(b) UV LED + RGB Phosphor(c)RGB LED*图 1 白光 LED 的产生的机制(a) Blue LED +YAG Phosphor (b) UV LED + RGBPhosphor (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。因此近几年來许多研究团队为了
3、研究如何提高LED的 发光效率，纷纷藉由荧光量测技术分析探讨其发光机制。荧光发光机制荧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，产生过程主要分为三个阶段如图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)为荧光产生，复合后产生的荧光光子讯号。图2荧光产生过程其中产生荧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荧光光子产生之机 率，藉此
4、提升量测荧光讯号之强度。此两类方式分别称为光激发荧光 （photoluminescence,以下简称PL）及电激发荧光，LED的发光原理便为电激发荧 光，然而电激发荧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 须使用光激发荧光做量测。自从镭射可用来提供足够的功率激发讯号后8，入射光便开始使用镭射光源。 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，以此激发的荧光，可当作稳态，试片受到光源照射而连续地发 出荧光9，镭射光谱与激发之荧光光谱如图3.。(E/色 I375nm440nm* A (nm)InlsmilConversion And Vi
5、br-alJondt R 創由)caMCn -10 11 Sec)FluoinesceninltinyslemCroulngtmternaElelajreclFJucuB5encE7三無IrrtersyternCressing f jrQuorrthingNon-Rad-laEiveRelaxatLgini(TripleNa ji-RadiativeRelaxafclQflPhotptT&rescence(10J 102 显劭SfOLind: SlateFigure 1图3镭射与激发之荧光光谱图如图 4 由 Alexander Jablonski 所提出的 Jablonski energy d
6、iagram 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。VlbraEional Energr Stiates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荧光，或者是经由非辐射复合过程产生吸收 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荧光，缺陷也会造成荧光的产生， 如图5所示。其中EC、EV和ED分别为导电带、价电带
7、与缺陷能带，其中，缺陷能带分布在EC与EV之间，位置与数量视材料质量而定，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，发出的荧光波段视电子与 电洞复合前能带的距离而定。Ec(b)Ed2)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荧光量测PL光谱仪主要架构有激发源、讯号接收器(spectrometer)、讯号处 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
8、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荧光强度有很大的影 响，量测环境必须做温度控制。以量测蓝光LED为例，PL荧光光谱图如图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。70000H 60000- 50000-=40000-20000-10000-300000350 400 450 500 550 600 650 700XV aveknot h(n in)图7 P
9、L荧光光谱图PL导入LED材料分析的优势因PL快速量测的特性可适应LED产线的生产速度，且以非接触与非破坏性的 量测可确保样品不会在量测的过程中改变原本的特性，配合mapping技术或将讯 号接收器改为CCD，可得到样品空间分布的特性，得知制程的均匀性以回馈 MOCVD的制程，于量测时不需电极可监控制成过程中每一个步骤的变化，此为 PL量测技术导入LED Wafer产线的优势。于LED组件设计及验证方面，以蓝光LED常用的材料氮化铟镓为例，由于在晶 格常数与能阶宽度图中，连接氮化镓与氮化铟两点的抛物曲线便是氮化铟镓，随 着氮化铟镓中的铟含量增加，其能阶宽度变小13,14，所以可由PL荧光光谱波 峰的位置，得知氮化铟镓中的铟含量，可藉由调变激发源的镭射强度与量测荧光 光谱强度可拟合出LED发光效率的相关系数，进而求出LED的内部发光效率以 提供组件设计之验证，量测时不需电极，在制程时任一步骤，皆可调变制程参数, 或选用不同制程方式，比较PL荧光光谱以优化出最佳制程条件等优势。结论PL为一快速、非接触性、非破坏性之可量测样品空间分布的量测技术，无论在 产品的量产和开发上都有很好应用。（作者.工研院量测中丿心叶佳良）
