CN101196552B - 判断多量子阱发光二级管材料中高效量子结构存在的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种判断多量子阱发光二级管材料中高效量子结构存在的方法。该方法是通过注入电流的变化，利用显微荧光光谱仪的面扫描功能对LED发光表面进行光谱扫描测量，根据测得的显微发光光谱线型的演化来判断这种高效量子结构的存在。本发明方法操作简便，无破坏性；不仅可以明确多量子阱外延层中的量子结构，及时推进生产工艺的改进；还可对其在工作电流下发光效率的高低进行预测，有利于器件产品的应用分级，对于产品升级换代、降低成本和提高生产效率都具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管(LED)，具体是指一种判断InGaN/GaN多量子阱发光二级管材料中是否具有形成高量子效率的量子结构的方法。
背景技术
GaN基LED可以发射蓝光和绿光，并能制成白光LED，具有长寿命、节能、绿色环保等显著特点，已被泛应用于大屏幕彩色显示、汽车照明和交通信号、多媒体显示、光通讯等领域，尤其照明领域具有广阔的发展潜力。GaN基半导体发光二极管的出现，解决了固体光源三基色的问题，使LED五大产业链迅速发展起来，逐步成为具有重大经济与社会意义的高新技术产业。GaN基LED广泛采用InGaN/GaN多量子阱(MQW)结构作为发光区域，而其中实际发光中心富In的InGaN量子点结构，则受生长条件影响很大；不同条件下生长的量子点不仅尺寸、密度及In含量不同，而且它们在量子阱中的空间分布也不同。不同尺寸的量子点对载流子具有不同的捕获和填充能力，会造成载流子的不均匀分布，这对LED的发光效率有很大的影响。
具有稳定的生产工艺和高效的量子器件结构，是目前GaN基LED生产企业提高效益、降低成本的最佳途径。然而，目前很多生产企业获得一套能够改进LED发光效率的生产工艺，一般都是通过LED生产-光学测量-改变生产条件-LED再生产-光学测量这个繁琐而漫长的循环过程完成的。这种改进过程是通过现象变化来改变生产条件，而LED的光学性能决定于其中的量子结构，因此，直接通过量子结构的变化来改变生产条件进而改进生产工艺，则具有更明确的方向性和前瞻性，有利于生产企业生产效率和市场竞争力的提高。然而，目前还没有一种判断多量子阱LED内部量子结构的方法。
实验中发现，小量子点很容易在线缺陷(裂缝、位错缺陷等)周边形成。如果在LED中存在量子点尺寸的双模分布模式，即一种是大尺寸量子点，另一种是小尺寸量子点。小尺寸量子点会随注入电流的增大起到双重作用：在低电流下，增加缺陷对载流子的捕获；在高电流下，屏蔽缺陷对载流子的散射，提高大尺寸量子点的辐射复合效率。也就是说，这种双模分布模式能够有效提高LED在工作电流(高电流)下的发光效率。相对于单种量子点分布模式或多种量子点杂乱无章的分布模式，量子点尺寸的双模分布模式是一种高效的量子结构。
发明内容
本发明的目的就是要提出一种判断InGaN/GaN多量子阱发光二级管材料中高效量子结构存在的方法。
本发明的技术方案是通过测量InGaN/GaN多量子阱LED在从低注入电流到高注入电流下，LED表面显微发光光谱线型的演化来判断这种高效量子结构的存在。
本发明的判断方法如下：
§A.将按照工业生产过程制备的InGaN/GaN多量子阱LED芯片，置于显微荧光光谱仪的物镜下，接通电源使LED发光，调节焦距，将物镜焦点聚在LED发光面上；
§B.第一次测量：调节电源，使注入电流处于能使LED发光的最小值，利用显微荧光光谱仪的面扫描功能对LED发光表面进行光谱扫描测量，并由光谱仪的CCD探测器采集每一个测量微区的电致发光光谱。扫描面积为LED发光表面的实际大小。扫描步长小于10μm，大于1μm；微区直径为1-5μm之间。
§C.第二次测量：按步骤§B及测试条件，同时使注入电流在步骤§B的基础上再增大50-100μA，进行第二次光谱扫描测量，得到此电流下与步骤§B相同所测区域各个微区的电致发光光谱；
§D.第三次测量：按步骤§B及测试条件，同时使注入电流再增大500～1500μA，进行第三次光谱扫描测量，得到此电流下与步骤§B相同所测区域各个微区的电致发光光谱；
§E.对第一次、第二次和第三次所测LED发光面各点的电致发光光谱线型进行比较，若第一次所测点的光谱线型为单峰线型；这些测量点在第二次测量时，在发光光谱高能量一侧出现新的发光峰，光谱为双峰线型；在第三次测量时，高能量一侧的发光峰明显减弱或消失，则说明在此LED材料中存在高效量子结构。
所说的多量子阱LED材料为InGaN/GaN多量子阱LED材料。
本发明根据载流子在不同尺寸量子点之间的传输作用和其对辐射复合发光的贡献不同，通过从低注入电流到高注入电流下LED表面显微发光光谱线型的演化来判断量子点尺寸双模分布这种高效量子结构的存在。首先，采用显微光谱(即空间分辩光谱技术)能够有效考察LED内部量子点在空间上的分布和变化，弥补宏观光学测量方法的不足。其次，由于大量子点中的离散能级比小量子点的能级低，注入载流子会首先进入大量子点中形成单峰发光辐射；随着注入电流的增大，大量子点中的势能逐渐升高，当与小量子点中的基态能级相当时，部分载流子就会进入小量子点中，并发生辐射复合，在较高的能量位置上形成新的发光峰，使整个发光光谱成为双峰线型；随着注入电流的进一步增大，由于小量子点逐渐被载流子填满，发光强度开始缓慢增大，而大量子点可以捕获更多的载流子，发光强度快速增大，逐渐掩盖小量子点辐射发光的贡献，开始主导发光光谱的线型，并使其逐渐演化成为单峰线型。因此，LED表面微区发光光谱线型随注入电流增大的演化就反映了其内部量子点尺寸的大小和分布。
本发明的判断方法操作简单，对样品无破坏性，判断标准明显，并可对其发光性能进行预测，便于对产品进行分级销售，有利于产品质量的升级、成本的降低和生产效率的提高。
附图说明
图1是本实施例在注入电流分别为6μA、93μA和900μA时测量点A和B发光光谱线型的变化。
图2为测量点A和B发光强度随注入电流的变化。
具体实施方式
下面以InGaN/GaN多量子阱LED为实施例结合附图对本发明作进一步的详细说明。其具体步骤如下：
1.将按照工业生产过程制备的绿光InGaN/GaN多量子阱LED芯片置于显微荧光光谱仪的物镜(50倍长工作距)下，接通电源使LED发光，调节焦距，将物镜焦点聚在LED发光面上；
2.使注入电流处于能使LED芯片发光的最小值，6μA，利用显微荧光光谱仪的面扫描功能对LED发光表面60×65μm的表面上进行光谱扫描测量，并由光谱仪的CCD探测器采集每一个测量微区的电致发光光谱，其中两个测量点A和B的电致发光光谱如图1所示。扫描面积为LED发光表面实际大小。扫描步长为5μm；微区直径约为3μm。
3.注入电流增大至93μA，采用相同的扫描参数对相同的发光面进行第二次光谱扫描测量，得到此电流下所测区域各个微区的电致发光光谱，测量点A和B在此电流下的电致发光光谱如图1所示。
4.注入电流增大至900μA，采用相同的扫描参数对相同的发光面进行第三次光谱扫描测量，得到此电流下所测区域各个微区的电致发光光谱，测量点A和B在此电流下的电致发光光谱如图1所示。
5.对第一次、第二次和第三次所测LED发光面各点的电致发光光谱线型进行比较。如图1所示，测量点A在注入电流分别为6μA、93μA和900μA时的光谱线型均为单峰线型，只是在93μA时有些展宽，说明在测量点A中不完全具备高效量子结构；而测量点B随电流的增大，光谱线型由单峰变为双峰，最后高能量的发光峰减弱，基本形成单峰线型，说明在测量点B中存在高效量子结构。那么测量点B在高注入电流下，相对于测量点A，有较高的发光效率。图2给出了测量点A和B的发光效率随注入电流的变化关系。从图中可明显看出，注入电流大于0.2mA后，测量点B的发光效率明显比测量点A的要高；这也说明测量点B中存在量子点双模分布的高效量子结构。
以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的范围并不仅局限于上述具体实施例，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍涵盖在本发明的保护范围。如上述测量方法中将调节施加在多量子阱LED芯片上的电致激发发光改为光致发光，通过光致发光直接检测多量子阱材料中高效量子结构的存在属于依本发明所揭示的精神所作的同等变化。
Claims (1)
1.一种判断InGaN/GaN多量子阱发光二级管材料中高效量子结构存在的方法，其特征在于具体步骤如下：
§A.将按照工业生产过程制备的InGaN/GaN多量子阱发光二极管LED芯片，置于显微荧光光谱仪的物镜下，接通电源使LED发光，调节焦距，将物镜焦点聚在LED发光面上；
§B.第一次测量：调节电源，使注入电流处于能使LED发光的最小值，利用显微荧光光谱仪的面扫描功能对LED发光表面进行光谱扫描测量，并由光谱仪的CCD探测器采集每一个测量微区的电致发光光谱，扫描面积为LED发光表面的实际大小，扫描步长小于10μm，大于1μm；微区直径为1-5μm之间；
§C.第二次测量：按步骤§B及测试条件，同时使注入电流在步骤§B的基础上再增大50-100μA，进行第二次光谱扫描测量，得到此电流下与步骤§B相同所测区域各个微区的电致发光光谱；
§D.第三次测量：按步骤§B及测试条件，同时使注入电流再增大500～1500μA，进行第三次光谱扫描测量，得到此电流下与步骤§B相同所测区域各个微区的电致发光光谱；
§E.对第一次、第二次和第三次所测LED发光面各点的电致发光光谱线型进行比较，若第一次所测点的光谱线型为单峰线型；这些测量点在第二次测量时，在发光光谱高能量一侧出现新的发光峰，光谱为双峰线型；在第三次测量时，高能量一侧的发光峰明显减弱或消失，则说明在此LED材料中存在高效量子结构。
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