專利名稱：一種判斷氮化鎵基發光二級管非輻射復合中心濃度的方法
技術領域：
本發明涉及半導體氮化鎵(GaN)基發光二極管(LED)，具體是指一種判斷 GaN基發光二級管內部非輻射復合中心濃度的方法。
技術背景GaN基LED是繼GaAs， InP等第二代半導體材料后出現的第三代新型半導體 材料。雖然GaN基LED已經產業化，但由于襯底和外延膜的晶格不匹配效應導 致LED內部存在大量的非輻射缺陷復合中心。這些非輻射缺陷復合中心使得GaN 基LED內部光電轉換效率很低，嚴重影響了 LED產業化進程。具有穩定的生產 工藝和高效的量子器件結構，是目前GaN基LED生產企業追求的目標。目前很 多生產企業為改進LED發光效率， 一般都是通過LED生產一光學測量一改變生 產條件一LED再生產一光學測量這個繁瑣而漫長的循環過程完成的。這種改進過 程是通過現象變化來改變生產條件，實際LED內部大量的非輻射復合中心才是 嚴重制約其光學性能的提高。因此，直接通過檢測GaN基LED器件內非輻射復 合中心濃度的方法來指導生產工藝，則具有更明確的方向性和前瞻性，有利于 生產企業生產效率和市場競爭力的提高。然而，目前還沒有一種檢測GaN基LED 器件內部非輻射復合中心濃度的方法。 發明內容本發明的目的就是要提出一種判斷GaN基LED器件內部非輻射復合中心濃度的方法。本發明的判斷依據原理是當器件存在大量的非輻射復合中心時，隨著注 入電流加大，會導致材料發光區域中的載流子濃度上升，進而產生對非輻射復 合中心屏蔽能力的上升，因此在器件實測的外注入電流下的發光光譜強度隨注入電流增強(EL譜)呈現超線性的增強規律。而理論模型計算的EL譜不考慮非 輻射復合中心屏蔽效應，因此，理論計算得到EL譜強度隨電流增強呈現亞線性 的飽和特征的增強規律。所以可以利用實驗與理論偏離的效應判斷GaN基LED 器件內非輻射復合中心濃度的大小。本發明的一種判斷GaN基LED器件內部非輻射復合中心濃度的方法，具體 步驟如下A. 將按照工業生產過程制備的GaN基LED芯片置于顯微熒光光譜儀的物鏡 下，接通電源使LED發光，移動樣品臺使LED發光光束對準物鏡，將注入電流 調至最低但仍可發光，調節焦距，將物鏡焦點聚在LED發光面上；B. 調節注入電流，從0開始逐漸增大，每間隔一電流值由顯微熒光光譜儀上的CCD探測器采集每一個注入電流情況下的EL光譜；C. 利用商業化的Crosslight模擬軟件程序包APSYS，按照GaN基LED芯片 參數，即各層厚度、n型或p型載流子摻雜濃度、量子阱層的組分，利用有限元 原理，載流子漂移-擴散模型，通過解泊松方程、電流連續性方程、載流子能量 傳輸方程、熱傳輸方程和標量波動方程進行理論模擬計算不同注入電流下的EL 光譜；D. 再利用商業化的軟件Origin分別對理論模擬計算^:和實驗測量數據用二 次函數i^c + fo + ax2進行擬合計算，其中7是EL光譜發光強度值，x是注入電 流值，a、 b和c是擬合系數；然后對理論計算和實測的EL光譜擬合后各自的二次項系數a的差異Sa進行 比對，差異越大表明LED內部存在的非輻射復合中心濃度越高，反之則越小。本發明的方法操作簡單，對樣品無破壞性，判斷標準明顯，便于對產品進 行分級銷售，有利于產品質量的升級、成本的降低和生產效率的提高。
圖1為本發明的實施例在5raA-30mA，間隔5mA注入電流情況下，實測和理論 計算的EL光譜，圖中方框內電流值所指的譜線為理論計算的EL光譜線，無方 框電流值所指的譜線為實測EL光譜線。圖2為本實施例的理論計算和實測EL光譜分別經二次函數擬合后的曲線， 方形點為理論模擬計算擬合后的曲線，圓形點為實測擬合后的曲線。
具體實施方式
下面通過實施例及附圖對本發明作進一步的詳細說明。本實施例為InGaN/GaNMQWLED器件，包括在100 to厚的藍寶石襯底上， 用金屬有機化學氣相沉積方法，依次排列生長1.0to厚的GaN緩沖層，2.5Wn 厚的摻Si N型-GaN層，6個周期的In。.12Ga。.88N (3腿厚)勢壘層/GaN (12 nm厚) 量子阱激活層，30nm厚的摻Mg P型-Al。.15Ga。.85N層，最后為20。nm厚的摻Mg P 型-GaN覆蓋層；N型和P型的摻雜濃度分別約為3X1018 cm"和5X1017 cm—3;器 件構型為300 MmX300 Mm的正方形。 具體判斷方法的步驟如下1. 將上述結構的器件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發光，調節焦距，將物鏡焦點聚在LED發光面上；2. 外加注入電流從O開始逐漸增大，利用顯微熒光光譜儀上的CCD探測器 每間隔5mA采集一幅電致發光光譜，如圖1所示，圖中的無方框電流值所指的譜線；3. 利用商業化的Crosslight模擬軟件程序包APSYS，按照實施例為 InGaN/GaN MQW LED器件結構參數進行理論模擬計算注入電流為5mA-30mA，間隔 5mA下的EL光譜。見圖1，理論計算與實測光譜線形基本一致，而對應強度有 明顯差異。這是因為在LED內部電流加大導致在材料發光區域的載流子濃度上 升，非輻射復合中心屏蔽能力上升，所以EL強度隨電流增加而增強的速率加大。4. 再利用商業化的軟件Origin分別對理論模擬計算值和實驗測量數據用二 次函數r-c十6x + a 進行擬合計算，其中r是EL光譜發光強度值，義是注入電 流值，a， b和c是擬合系數，理論模擬計算擬合的結果為1M). 1+0. 04J-0. 0003/， 實驗測量數據擬合的結果為^0. 05+0. 021+0. 0006/，計算出從實驗結果擬合得 到的a值減去從理論模擬結果擬合得到的a值，得到二者的a數值差異Sa， 5a 越大表示GaN基LED器件內非輻射復合中心濃度越高，在本發明的實施例中 Sa=0.0009。這種測試方法也可定性檢測同一外延晶片的均勻性情況。在同一外 延晶片不同的位置上選取一些芯片(例如20個)，在同一條件下測試它們的EL 光譜然后和理論曲線相比對，得到20個芯片的S^ 、 Sa2， ……5a2。，考察Sat 、 5a2，……5a2。這些值的離散情況，如果這20個值越接近，表明同一外延晶片的 均勻性情況越好，如果這20個值相互差異比較大，表明同一外延晶片的均勻性 情況也就較差。以上所述的實施例僅為了說明本發明的技術思想及特點，其目的在于使本 領域的普通技術人員能夠了解本發明的內容并據以實施，本發明的范圍并不僅 局限于上述具體實施例，即凡依本發明所揭示的精神所作的同等變化或修飾， 仍涵蓋在本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種判斷氮化鎵基發光二級管非輻射復合中心濃度的方法，其特征在于具體步驟如下A.將按照工業生產過程制備的GaN基LED芯片置于顯微熒光光譜儀的物鏡下，接通電源使LED發光，移動樣品臺使LED發光光束對準物鏡，將注入電流調至最低但仍可發光，調節焦距，將物鏡焦點聚在LED發光面上；B.調節注入電流，從0開始逐漸增大，每間隔一電流值由顯微熒光光譜儀上的CCD探測器采集每一注入電流情況下的EL光譜；C.利用商業化的Crosslight模擬軟件程序包APSYS，按照GaN基LED芯片參數各層厚度、n型或p型載流子摻雜濃度、量子阱層的組分，利用有限元原理，載流子漂移-擴散模型，通過解泊松方程、電流連續性方程、載流子能量傳輸方程、熱傳輸方程和標量波動方程進行理論模擬計算不同注入電流下的EL光譜；D.再利用商業化的軟件Origin分別對理論模擬計算值和實驗測量數據用二次函數Y＝c+bx+ax2進行擬合計算，其中Y是EL光譜發光強度值，x是注入電流值，a、b和c是擬合系數；E.然后對同一批次的GaN基LED芯片理論計算和實測的EL光譜擬合后各自的二次項系數a的差異δa進行比對，差異越大表明LED內部存在的非輻射復合中心濃度越高，反之則越小。
全文摘要
本發明公開了一種判斷氮化鎵基發光二級管非輻射復合中心濃度的方法，該方法是通過實測器件電致發光光譜隨外注入電流的變化規律與理論計算的結果進行比對，來判斷器件結構中非輻射復合中心濃度的大小。本發明方法操作簡便，無破壞性；能快速對GaN基LED器件內非輻射復合中心濃度高低的相對狀態進行檢測，及時推進生產工藝的改進，有利于器件產品的應用分級，對于產品升級換代、降低成本和提高生產效率都具有明顯作用。
文檔編號G01J3/28GK101231309SQ200810033719
公開日2008年7月30日 申請日期2008年2月20日 優先權日2008年2月20日
發明者波 張, 寧 李, 李為軍, 李天信, 李志鋒, 衛 陸, 陳平平, 陳效雙 申請人:中國科學院上海技術物理研究所