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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（一、光致发光（PLPLPLPL：：PhotoluminescencePhotoluminescencePhotoluminescencePhotoluminescence）） • 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 • PLPLPLPL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” 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 原理原理 过程过程 PLPL量测原理量测原理 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 PLPLPLPL谱仪测外延片厚度原理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 n0n2， 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： 由上式可以求出膜厚 ΔL＝2n1h-1/2λ=Kλ （极大） ΔL＝2n1h－1/2λ=Kλ +1/2λ （极小） H=(2k+1) λ /4n1 (极大） H=(k+1) λ /2n1 (极小） PLPL谱仪测外延片厚度原理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 PLPLPLPL软件界面图软件界面图软件界面图软件界面图 •发光强度 •峰值波长WLP •主波长WLD •半峰宽FWHM 光谱中的重要技术参数光谱中的重要技术参数 二、电致发光二、电致发光 ElectroluminescenceElectroluminescenceElectroluminescenceElectroluminescence �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 300 cm2/Vs Growth Rate 2 um/hr X-ray FWHM (002) 2 x1018 cm-3 Mobility 250 cm2/Vs Sheet resistance uniformity(σ / X) 1 x1017 cm-3 Resistivity 3 Ohm-cm P-AlGaNAl concentrationXAl20% Uniformity of composition :Atomic % ofAl (max –min) 2% MQWWithin wafer PL wavelength uniformityσAVG 2 nm Full carrier PL wavelength uniformityσcarrier 3.0 nm Run-to-Run Repeatability; Difference (max – min) between carrier averages for 3 consecutive runs •我们在MOCVD的验机过程中一个很重要的步骤，就是需要测试u-GaN，n-GaN， p-GaN层得载流子浓度与载流子迁移率。

•对于u-GaN，希望载流子浓度越小越好，载流子迁移率越大越好 •对于n-GaN层与p-GaN层，希望载流子浓度越大越好，载流子迁移率越大越好 SIMS是二次离子质谱的简称，是一种测量物质的组成分布的方法该 方法原理很简单，就是拿离子轰击物质表面，将所需要分析的物质打成碎 片，然后收集、分析这些碎片，从而得知物质的组成成分SIMS扫描方式 分为两种，一种是横向的，可以知道物质某一种成分在横向的分布，另一 种是纵向的，可以知道物质成分随深度的变化规律，可以成为深度扫描 五、二次离子质谱仪 T T T Thank you!!hank you!!hank you!!hank you!! 。