CN101231309B - 一种判断氮化镓基发光二极管非辐射复合中心浓度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种判断氮化镓基发光二极管非辐射复合中心浓度的方法，该方法是通过实测器件电致发光光谱随外注入电流的变化规律与理论计算的结果进行比对，来判断器件结构中非辐射复合中心浓度的大小。本发明方法操作简便，无破坏性；能快速对GaN基LED器件内非辐射复合中心浓度高低的相对状态进行检测，及时推进生产工艺的改进，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明显作用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)，具体是指一种判断GaN基发光二极管内部非辐射复合中心浓度的方法。
背景技术
GaN基LED是继GaAs，InP等第二代半导体材料后出现的第三代新型半导体材料。虽然GaN基LED已经产业化，但由于衬底和外延膜的晶格不匹配效应导致LED内部存在大量的非辐射缺陷复合中心。这些非辐射缺陷复合中心使得GaN基LED内部光电转换效率很低，严重影响了LED产业化进程。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生产企业追求的目标。目前很多生产企业为改进LED发光效率，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，实际LED内部大量的非辐射复合中心才是严重制约其光学性能的提高。因此，直接通过检测GaN基LED器件内非辐射复合中心浓度的方法来指导生产工艺，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，目前还没有一种检测GaN基LED器件内部非辐射复合中心浓度的方法。
发明内容
本发明的目的就是要提出一种判断GaN基LED器件内部非辐射复合中心浓 度的方法。
本发明的判断依据原理是：当器件存在大量的非辐射复合中心时，随着注入电流加大，会导致材料发光区域中的载流子浓度上升，进而产生对非辐射复合中心屏蔽能力的上升，因此在器件实测的外注入电流下的发光光谱强度随注入电流增强(EL谱)呈现超线性的增强规律。而理论模型计算的EL谱不考虑非辐射复合中心屏蔽效应，因此，理论计算得到EL谱强度随电流增强呈现亚线性的饱和特征的增强规律。所以可以利用实验与理论偏离的效应判断GaN基LED器件内非辐射复合中心浓度的大小。
本发明的一种判断GaN基LED器件内部非辐射复合中心浓度的方法，具体步骤如下：
A.将按照工业生产过程制备的GaN基LED芯片置于显微荧光光谱仪的物镜下，接通电源使LED发光，移动样品台使LED发光光束对准物镜，将注入电流调至最低但仍可发光，调节焦距，将物镜焦点聚在LED发光面上；
B.调节注入电流，从0开始逐渐增大，每间隔一电流值由显微荧光光谱仪上的CCD探测器采集每一个注入电流情况下的EL光谱；
C.利用商业化的Crosslight模拟软件程序包APSYS，按照GaN基LED芯片参数，即各层厚度、n型或p型载流子掺杂浓度、量子阱层的组分，利用有限元原理，载流子漂移-扩散模型，通过解泊松方程、电流连续性方程、载流子能量传输方程、热传输方程和标量波动方程进行理论模拟计算不同注入电流下的EL光谱；
D.再利用商业化的软件Origin分别对理论模拟计算值和实验测量数据用二次函数：Y＝c+bx+ax2进行拟合计算，其中Y是EL光谱发光强度值，x是注入电流值，a、b和c是拟合系数；
然后对理论计算和实测的EL光谱拟合后各自的二次项系数a的差异δa进行比对，差异越大表明LED内部存在的非辐射复合中心浓度越高，反之则越小。
本发明的方法操作简单，对样品无破坏性，判断标准明显，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为本发明的实施例在5mA-30mA，间隔5mA注入电流情况下，实测和理论计算的EL光谱，图中方框内电流值所指的谱线为理论计算的EL光谱线，无方框电流值所指的谱线为实测EL光谱线。
图2为本实施例的理论计算和实测EL光谱分别经二次函数拟合后的曲线，方形点为理论模拟计算拟合后的曲线，圆形点为实测拟合后的曲线。
具体实施方式
下面通过实施例及附图对本发明作进一步的详细说明。
本实施例为InGaN/GaN MQW LED器件，包括：在100μm厚的蓝宝石衬底上，用金属有机化学气相沉积方法，依次排列生长1.0μm厚的GaN缓冲层，2.5μm厚的掺Si N型-GaN层，6个周期的In0.12Ga0.88N(3nm厚)势垒层/GaN(12nm厚)量子阱激活层，30nm厚的掺Mg P型-Al0.15Ga0.85N层，最后为200nm厚的掺Mg P型-GaN覆盖层；N型和P型的掺杂浓度分别约为3×1018cm-3和5×1017cm-3；器件构型为300μm×300μm的正方形。
具体判断方法的步骤如下：
1.将上述结构的器件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.外加注入电流从0开始逐渐增大，利用显微荧光光谱仪上的CCD探测器每间隔5mA采集一幅电致发光光谱，如图1所示，图中的无方框电流值所指的 谱线；
3.利用商业化的Crosslight模拟软件程序包APSYS，按照实施例为InGaN/GaN MQW LED器件结构参数进行理论模拟计算注入电流为5mA-30mA，间隔5mA下的EL光谱。见图1，理论计算与实测光谱线形基本一致，而对应强度有明显差异。这是因为在LED内部电流加大导致在材料发光区域的载流子浓度上升，非辐射复合中心屏蔽能力上升，所以EL强度随电流增加而增强的速率加大。
4.再利用商业化的软件Origin分别对理论模拟计算值和实验测量数据用二次函数：Y＝c+bx+ax2进行拟合计算，其中Y是EL光谱发光强度值，x是注入电流值，a，b和c是拟合系数，理论模拟计算拟合的结果为：Y＝0.1+0.04X-0.0003x2，实验测量数据拟合的结果为：Y＝0.05+0.02X+0.0006x2，计算出从实验结果拟合得到的a值减去从理论模拟结果拟合得到的a值，得到二者的a数值差异δa，δa越大表示GaN基LED器件内非辐射复合中心浓度越高，在本发明的实施例中δa＝0.0009。这种测试方法也可定性检测同一外延晶片的均匀性情况。在同一外延晶片不同的位置上选取一些芯片(例如20个)，在同一条件下测试它们的EL光谱然后和理论曲线相比对，得到20个芯片的δa1、δa2，……δa20，考察δa1、δa2，……δa20这些值的离散情况，如果这20个值越接近，表明同一外延晶片的均匀性情况越好，如果这20个值相互差异比较大，表明同一外延晶片的均匀性情况也就较差。
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。
Claims (1)
1.一种判断氮化镓基发光二极管非辐射复合中心浓度的方法，其特征在于具体步骤如下：
A.将按照工业生产过程制备的GaN基LED芯片置于显微荧光光谱仪的物镜下，接通电源使LED发光，移动样品台使LED发光光束对准物镜，将注入电流调至最低但仍可发光，调节焦距，将物镜焦点聚在LED发光面上；
B.调节注入电流，从0开始逐渐增大，每间隔一电流值由显微荧光光谱仪上的CCD探测器采集每一注入电流情况下的EL光谱；
C.利用商业化的Crosslight模拟软件程序包APSYS，按照GaN基LED芯片参数：各层厚度、n型或p型载流子掺杂浓度、量子阱层的组分，利用有限元原理，载流子漂移-扩散模型，通过解泊松方程、电流连续性方程、载流子能量传输方程、热传输方程和标量波动方程进行理论模拟计算不同注入电流下的EL光谱；
D.再利用商业化的软件Origin分别对理论模拟计算值和实验测量数据用二次函数：Y＝c+bx+ax2进行拟合计算，其中Y是EL光谱发光强度值，x是注入电流值，a、b和c是拟合系数；
E.然后对同一批次的GaN基LED芯片理论计算和实测的EL光谱拟合后各自的二次项系数a的差异δa进行比对，差异越大表明LED内部存在的非辐射复合中心浓度越高，反之则越小。
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