專利名稱：判斷多量子阱發(fā)光二級管材料中高效量子結(jié)構(gòu)存在的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED),具體是指一種判斷多量子阱發(fā)光二 級管材料中是否具有形成高量子效率的量子結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
GaN基LED可以發(fā)射藍光和綠光，并能制成白光LED，具有長壽命、節(jié)倉g、 綠色環(huán)保等顯著特點，已被泛應(yīng)用于大屏幕彩色顯示、汽車照明和交通信號、 多媒體顯示、光通訊等領(lǐng)域，尤其照明領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展?jié)摿?。GaN基半導(dǎo) 體發(fā)光二極管的出現(xiàn)，解決了固體光源三基色的問題，使LED五大產(chǎn)業(yè)鏈迅速 發(fā)展起來，逐步成為具有重大經(jīng)濟與社會意義的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。GaN基LED廣 泛采用InGaN/GaN多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)作為發(fā)光區(qū)域，而其中實際發(fā)光中心 富In的InGaN量子點結(jié)構(gòu)，則受生長條件影響很大；不同條件下生長的量子點 不僅尺寸、密度及In含量不同，而且它們在量子阱中的空間分布也不同。不同 尺寸的量子點對載流子具有不同的捕獲和填充能力，會造成載流子的不均勻分 布，這對LED的發(fā)光效率有很大的影響。
具有穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝和高效的量子器件結(jié)構(gòu)，是目前GaN基LED生產(chǎn)企業(yè) 提高效益、降低成本的最佳途徑。然而，目前很多生產(chǎn)企業(yè)獲得一套能夠改進 LED發(fā)光效率的生產(chǎn)工藝， 一般都是通過LED生產(chǎn)一光學測量一改變生產(chǎn)條件 一LED再生產(chǎn)一光學測量這個繁瑣而漫長的循環(huán)過程完成的。這種改進過程是
通過現(xiàn)象變化來改變生產(chǎn)條件，而LED的光學性能決定于其中的量子結(jié)構(gòu)，因 此，直接通過量子結(jié)構(gòu)的變化來改變生產(chǎn)條件進而改進生產(chǎn)工藝，則具有更明 確的方向性和前瞻性，有利于生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)效率和市場競爭力的提高。然而， 目前還沒有一種判斷多量子阱LED內(nèi)部量子結(jié)構(gòu)的方法。
實驗中發(fā)現(xiàn)，小量子點很容易在線缺陷(裂縫、位錯缺陷等)周邊形成。 如果在LED中存在量子點尺寸的雙模分布模式，即一種是大尺寸量子點，另一 種是小尺寸量子點。小尺寸量子點會隨注入電流的增大起到雙重作用在低電 流下，增加缺陷對載流子的捕獲；在高電流下，屏蔽缺陷對載流子的散射，提 高大尺寸量子點的輻射復(fù)合效率。也就是說，這種雙模分布模式能夠有效提高 LED在工作電流(高電流)下的發(fā)光效率。相對于單種量子點分布模式或多種 量子點雜亂無章的分布模式，量子點尺寸的雙模分布模式是一種高效的量子結(jié) 構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要提出一種判斷多量子阱發(fā)光二級管材料中高效量子結(jié) 構(gòu)存在的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是通過測量多量子阱LED在低注入電流到高注入電流 下，LED表面顯微發(fā)光光譜線型的演化來判斷這種高效量子結(jié)構(gòu)的存在。 本發(fā)明的判斷方法如下
§A.將按照工業(yè)生產(chǎn)過程制備的多量子阱LED芯片，置于顯微熒光光譜 儀的物鏡下，接通電源使LED發(fā)光，調(diào)節(jié)焦距，將物鏡焦點聚在LED發(fā)光面上;
§B.第一次測量調(diào)節(jié)電源，使注入電流處于能使LED發(fā)光的最小值， 利用顯微熒光光譜儀的面掃描功能對LED發(fā)光表面進行光譜掃描測量，并由光 譜儀的CCD探測器采集每一個測量微區(qū)的電致發(fā)光光譜。掃描面積為LED發(fā)
光表面的實際大小。掃描步長小于10 pm,大于1 微區(qū)直徑為1-5 pm之間。 §C.第二次測量注入電流增大50-100]iA，按步驟SB及條件進行第二 次光譜掃描測量，得到此電流下與步驟§ B相同所測區(qū)域各個微區(qū)的電致發(fā)光光 譜。
§D.第三次測量注入電流再增大500 1500 pA，按步驟SB及條件進行 第三次光譜掃描測量，得到此電流下與步驟§ B相同所測區(qū)域各個微區(qū)的電致發(fā) 光光譜。
§E.對第一次、第二次和第三次所測LED發(fā)光面各點的電致發(fā)光光譜線 型進行比較，若第一次所測點的光譜線型為單峰線型；這些測量點在第二次測 量時，在發(fā)光光譜高能量一側(cè)出現(xiàn)新的發(fā)光峰，光譜為雙峰線型；在第三次測 量時，高能量一側(cè)的發(fā)光峰明顯減弱或消失，則說明在此LED材料中存在高效 量子結(jié)構(gòu)。
所說的多量子阱LED材料為InGaN/GaN。
本發(fā)明根據(jù)載流子在不同尺寸量子點之間的傳輸作用和其對輻射復(fù)合發(fā)光 的貢獻不同，通過低注入電流到高注入電流下LED表面顯微發(fā)光光譜線型的演 化來判斷量子點尺寸雙模分布這種高效量子結(jié)構(gòu)的存在。首先，采用顯微光譜 (即空間分辯光譜技術(shù))能夠有效考察LED內(nèi)部量子點在空間上的分布和變化， 彌補宏觀光學測量方法的不足。其次，由于大量子點中的離散能級比小量子點 的能級低，注入載流子會首先進入大量子點中形成單峰發(fā)光輻射；隨注入電流 的增大，大量子點中的勢能逐漸升高，當與小量子點中的基態(tài)能級相當時，部 分載流子就會進入小量子點中，并發(fā)生輻射復(fù)合，在較高的能量位置上形成新 的發(fā)光峰，使整個發(fā)光光譜成為雙峰線型；隨著注入電流的進一步增大，由于 小量子點逐漸被載流子填滿，發(fā)光強度開始緩慢增大，而大量子點可以捕獲更
多的載流子，發(fā)光強度快速增大，逐漸掩蓋小量子點輻射發(fā)光的貢獻，開始主
導(dǎo)發(fā)光光譜的線型，并使其逐漸演化成為單峰線型。因此，LED表面微區(qū)發(fā)光 光譜線型隨注入電流增大的演化就反映了其內(nèi)部量子點尺寸的大小和分布。
本發(fā)明的判斷方法操作簡單，對樣品無破壞性，判斷標準明顯，并可對其 發(fā)光性能進行預(yù)測，便于對產(chǎn)品進行分級銷售，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的升級、成本 的降低和生產(chǎn)效率的提高。


圖1是本實施例在注入電流分別為6 ^A、 93 和900 時測量點A和B 發(fā)光光譜線型的變化。
圖2為測量點A和B發(fā)光強度隨注入電流的變化。
具體實施例方式
下面以InGaN/GaN多量子阱LED為實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳
細說明。其具體步驟如下
1. 將按照工業(yè)生產(chǎn)過程制備的綠光InGaN/GaN多量子阱LED芯片置于顯 微熒光光譜儀的物鏡(50倍長工作距)下，接通電源使LED發(fā)光，調(diào)節(jié)焦距， 將物鏡焦點聚在LED發(fā)光面上；
2. 使注入電流處于能使LED芯片發(fā)光的最小值，6pA，利用顯微熒光光譜 儀的面掃描功能對LED發(fā)光表面60x65 的表面上進行光譜掃描測量，并由 光譜儀的CCD探測器采集每一個測量微區(qū)的電致發(fā)光光譜，其中兩個測量點A 和B的電致發(fā)光光譜如圖1所示。掃描面積為LED發(fā)光表面實際大小。掃描步 長為5pm;微區(qū)直徑約為3(im。
3. 注入電流增大至93 pA，采用相同的掃描參數(shù)對相同的發(fā)光面進行第二 次光譜掃描測量，得到此電流下所測區(qū)域各個微區(qū)的電致發(fā)光光譜，測量點A 和B在此電流下的電致發(fā)光光譜如圖1所示。
4. 注入電流增大至900pA，采用相同的掃描參數(shù)對相同的發(fā)光面進行第三 次光譜掃描測量，得到此電流下所測區(qū)域各個微區(qū)的電致發(fā)光光譜，測量點A 和B在此電流下的電致發(fā)光光譜如圖1所示。
5. 對第一次、第二次和第三次所測LED發(fā)光面各點的電致發(fā)光光譜線型進 行比較。如圖1所示，測量點A在注入電流分別為6 pA、 93 ^lA和900 時的 光譜線型均為單峰線型，只是在93 ^A時有些展寬，說明在測量點A中不完全 具備高效量子結(jié)構(gòu)；而測量點B隨電流的增大，光譜線型由單峰變?yōu)殡p峰，最 后高能量的發(fā)光峰減弱，基本形成單峰線型，說明在測量點B中存在高效量子 結(jié)構(gòu)。那么測量點B在高注入電流下，相對于測量點A，有較高的發(fā)光效率。 圖2給出了測量點A和B的發(fā)光效率隨注入電流的變化關(guān)系。從圖中可明顯看 出，注入電流大于0.2mA后，測量點B的發(fā)光效率明顯比測量點A的要高；這 也說明測量點B中存在量子點雙模分布的高效量子結(jié)構(gòu)。
以上所述的實施例僅為了說明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點，其目的在于使本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，本發(fā)明的范圍并不僅 局限于上述具體實施例，即凡依本發(fā)明所揭示的精神所作的同等變化或修飾， 仍涵蓋在本發(fā)明的保護范圍。如上述測量方法中將調(diào)節(jié)施加在多量子阱LED芯 片上的電致激發(fā)發(fā)光改為光致發(fā)光，通過光致發(fā)光直接檢測多量子阱材料中高 效量子結(jié)構(gòu)的存在屬于依本發(fā)明所揭示的精神所作的同等變化。
權(quán)利要求
1.一種判斷多量子阱發(fā)光二級管材料中高效量子結(jié)構(gòu)存在的方法，其特征在于具體步驟如下§A.將按照工業(yè)生產(chǎn)過程制備的多量子阱LED芯片，置于顯微熒光光譜儀的物鏡下，接通電源使LED發(fā)光，調(diào)節(jié)焦距，將物鏡焦點聚在LED發(fā)光面上；§B.第一次測量調(diào)節(jié)電源，使注入電流處于能使LED發(fā)光的最小值，利用顯微熒光光譜儀的面掃描功能對LED發(fā)光表面進行光譜掃描測量，并由光譜儀的CCD探測器采集每一個測量微區(qū)的電致發(fā)光光譜，掃描面積為LED發(fā)光表面的實際大小，掃描步長小于10μm，大于1μm；微區(qū)直徑為1-5μm之間；§C.第二次測量注入電流增大50-100μA，按步驟§B及條件進行第二次光譜掃描測量，得到此電流下與步驟§B相同所測區(qū)域各個微區(qū)的電致發(fā)光光譜；§D.第三次測量注入電流再增大500～1500μA，按步驟§B及條件進行第三次光譜掃描測量，得到此電流下與步驟§B相同所測區(qū)域各個微區(qū)的電致發(fā)光光譜；§E.對第一次、第二次和第三次所測LED發(fā)光面各點的電致發(fā)光光譜線型進行比較，若第一次所測點的光譜線型為單峰線型；這些測量點在第二次測量時，在發(fā)光光譜高能量一側(cè)出現(xiàn)新的發(fā)光峰，光譜為雙峰線型；在第三次測量時，高能量一側(cè)的發(fā)光峰明顯減弱或消失，則說明在此LED材料中存在高效量子結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種判斷多量子阱發(fā)光二級管材料中高效量子結(jié)構(gòu)存 在的方法，其特征在于所說的多量子阱LED材料為InGaN/GaN。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種判斷多量子阱發(fā)光二級管材料中高效量子結(jié)構(gòu)存在的方法。該方法是通過注入電流的變化，利用顯微熒光光譜儀的面掃描功能對LED發(fā)光表面進行光譜掃描測量，根據(jù)測得的顯微發(fā)光光譜線型的演化來判斷這種高效量子結(jié)構(gòu)的存在。本發(fā)明方法操作簡便，無破壞性；不僅可以明確多量子阱外延層中的量子結(jié)構(gòu)，及時推進生產(chǎn)工藝的改進；還可對其在工作電流下發(fā)光效率的高低進行預(yù)測，有利于器件產(chǎn)品的應(yīng)用分級，對于產(chǎn)品升級換代、降低成本和提高生產(chǎn)效率都具有重要意義。
文檔編號G01R31/26GK101196552SQ20071017190
公開日2008年6月11日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者夏長生, 波 張, 寧 李, 李天信, 李志鋒, 甄紅樓, 衛(wèi) 陸, 陳平平, 陳效雙, 陳明法 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所;上海藍寶光電材料有限公司