CN102778295B - 在线测量发光二极管外延片光致发光光谱装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线测量发光二极管外延片光致发光光谱装置，它包括反应室和控制系统，在反应室安装有MOCVD加热器、石墨衬底基座、外延片和，MOCVD喷头，特征是：在MOCVD喷头的石英棒孔中安装有石英棒和石英棒外套；激光光纤连接在激光器和激光发射准直头之间，复用光纤连接在激发接收准直头和石英棒之间，光谱光纤连接在光谱准直头和光纤光谱仪之间；控制系统对反应室、激光器和光纤光谱仪进行控制。本发明通过人为降低外延片的温度来提高光致发光的信号强度，再通过石英棒来激发和收集光致发光光谱，并在光纤光谱仪上显示出光致发光光谱。本发明具有实时监测外延片在反应室内的生长情况、保证外延片能够正常生长、减少经济损失等优点。

Description

在线测量发光二极管外延片光致发光光谱装置

技术领域

本发明涉及半导体材料制造设备，尤其涉及一种能在线测量发光二极管外延片光致发光光谱的装置。 

背景技术：

当前，全世界正兴起规模宏大的节能减排运动，半导体照明（即使用发光二极管（LED）照明）是其中一种有效措施，但是，若要走进中国的千家万户，还要大大降低成本。降低成本的一个有效措施就是提高外延生产的可控性。为此，在线监测外延生产各种参数是非常重要的。金属有机化学气相沉积设备（MOCVD）是目前制备半导体材料的一种重要设备。目前外延的温度、外延层的厚度、外延层的应力状态均可实现在线监测，但发光波长还没有在线监测设备，往往要等外延片取出后才能测量光致发光光谱，若这些外延片的波长超出质量控制的范围，则这些外延片就基本上报废了，每报废一炉动辄几万元，根本没办法挽救。由于波长偏差导致报废的原因有以下两种：第一个原因是有机源用完了或开错了有机源或相应阀门出了问题；第二个原因是外延生长温度发生了变化。此时，如果能在线监测外延片光致发光谱（PL），一旦发现异常，还可及时挽救，或提前放弃生长，减少损失。

但是，要实现在线光致发光光谱的测量，有一些技术难题需要攻克。第一个原因是高温下的PL比较弱，难以测量；第二个原因是以前没有合适的用于激发的激光器；第三个原因就是外延片光致发光信号处于反应室内，发光光谱的激发与收集都很困难。因为这些原因，目前还没有看到这方面的科研报道，更无这方面的仪器设备。 

发明内容：

本发明的目的在于提供一种能在线测量发光二极管外延片光致发光光谱、实时监测外延片在反应室内的生长情况、保证外延片能够正常生长、减少经济损失、检测方便快捷的装置。

一种在线测量发光二极管外延片光致发光光谱装置，包括反应室和控制系统，在放置于手套箱内的反应室内安装有MOCVD加热器，在MOCVD加热器的上面依次从下至上安装有石墨基座和外延片，MOCVD加热器对石墨基座进行加热控温，石墨基座再加热外延片，在反应室的顶端安装有正对着外延片且与外延片间隔放置的MOCVD喷头，特征是：在MOCVD喷头上加工有一个垂直于外延片且贯通的石英棒组件孔，石英棒组件由石英棒和套在石英棒外壁的石英棒外套组成，在MOCVD喷头的外壁顶部、石英棒组件孔的周围设有外密封金属管，石英棒和石英棒外套一齐从上至下穿过外密封金属管插入石英棒组件孔中；在光纤分支块中的分光棱镜上分别安装有呈“T”字形排布的激光发射准直头、激发接收准直头和光谱准直头；激发接收准直头和光谱准直头在同一条直线上，激光发射准直头与激发接收准直头、光谱准直头垂直，激光光纤连接在激光器的激光输出孔和激光发射准直头的激光输入孔之间，复用光纤连接在激发接收准直头和石英棒的上端面之间，光谱光纤连接在光谱准直头的光谱导出孔和光纤光谱仪的光谱导入孔之间；控制系统对反应室、激光器和光纤光谱仪进行控制；激光器发出的激光通过激光光纤和激光发射准直头导入到光纤分支块的分光棱镜上，经分光棱镜反射后依次进入激发接收准直头、复用光纤和石英棒，然后导入到反应室内。从石英棒射出的激光直射外延片并激发外延片，外延片产生的激发光谱再由石英棒收集并通过复用光纤、激发接收准直头导入到分光棱镜上，穿过分光棱镜后经过光谱准直头、光谱光纤进入到光纤光谱仪，光纤光谱仪会显示出光致发光光谱；控制系统能接收光纤光谱仪的光谱数据，根据光谱强度，在生长完一层发光材料后，能主动停止生长，将外延片的生长温度从730℃降至330℃进行光致发光光谱检测，再回升到730℃继续生长。 

为了保证反应室的气密性，漏气率应优于10-8mbarl/s，为此，在石英棒与石英棒外套之间安装有内密封圈，在石英棒外套和外密封金属管之间安装有外密封圈。 

石英棒的下端面高于石英棒外套的下端面，石英棒外套的下端面高于MOCVD喷头的内壁底面。 

本发明使用氮化镓激光器（其它激光器也可）作为激发源，和外延片生长联动，通过人为降低外延片的温度来提高光致发光的信号强度，再通过伸入到反应室内的石英棒来激发和收集光致发光光谱，并在光纤光谱仪上显示出光致发光光谱。本发明能测量LED结构InGaN层中In的含量，In的含量多，则光致发光光谱红移，另外，还可给出n层黄带的信息，从而判断n层生长是否正常，从而达到了实时监测InGaAlN半导体蓝光LED外延片在反应室内的生长情况、达到保证外延片能够正常生长的目的。因此，本发明具有能在线测量发光二极管外延片光致发光光谱、实时监测外延片在反应室内的生长情况、保证外延片能够正常生长、减少经济损失、检测方便快捷、结构简单的优点。 

附图说明：

图1是本发明的系统图；

图2是图1中A区域的放大图；

图3是图1中B区域的放大图；

图4是图1中C区域的放大图。

图5是使用Y形光纤下的实施例。 

具体实施方式：

下面结合实施例并对照附图对本发明进行进一步的说明。

实施例1： 

一种在线测量发光二极管外延片光致发光光谱装置，包括反应室7和控制系统4，在放置于手套箱5内的反应室7内安装有MOCVD加热器1。在MOCVD加热器1的上面依次从下至上安装有石墨基座6和外延片8，MOCVD加热器1对石墨基座6进行加热控温，石墨基座6对外延片8进行加热。在反应室7的顶端安装有正对外延片8且与外延片8间隔放置的MOCVD喷头9，在MOCVD喷头9上加工有一个垂直于外延片8且贯通的石英棒组件孔14，石英棒组件由石英棒16和套在石英棒16外壁的石英棒外套15组成，在MOCVD喷头9的外壁顶部、石英组件孔14的周围设有外密封金属管20，石英棒16和石英棒外套15一齐从上至下穿过外密封金属管20插入石英棒组件孔14中；在光纤分支块12中的分光棱镜26上分别安装有呈“T”字形排布的激光发射准直头24、激发接收准直头23和光谱准直头25。激发接收准直头23和光谱准直头25在同一条直线上。激光发射准直头24与呈直线排列的激发接收准直头23、光谱准直头25垂直。激光光纤11连接在激光器3的激光输出孔和激光发射准直头23的激光输入孔之间，复用光纤10连接在激发接收准直头23的激光导出孔和石英棒16的上端面之间。光谱光纤13连接在光谱准直头25的光谱导出孔和光纤光谱仪2的光谱导入孔之间；控制系统4对反应室7、激光器3和光纤光谱仪2进行控制；激光器3发出的激光通过激光光纤11和激光发射准直头24导入到光纤分支块12的分光棱镜26上，经分光棱镜26反射后进入激发接收准直头23、复用光纤10和石英棒16导入到反应室7内，从石英棒16射出的激光直射外延片8并激发外延片8，外延片8产生的光致激发光向四周辐射，其中很少一部分辐射由石英棒16收集并通过复用光纤10、激发接收准直头23导入到分光棱镜26上，穿过分光棱镜26后经过光谱准直头25、光谱光纤13进入到光纤光谱仪2，在光纤光谱仪2将光致发光光谱数据送到计控制系统4；控制系统4能根据光谱强度，在生长完一层发光材料后，主动将外延片8的生长温度由730℃降至330℃进行光致发光光谱检测，再回升到730℃继续生长。这一升降过程要花去400秒的时间，虽有些浪费，但相比整个9小时的外延生长周期，只增加了1.2%的机时。

为了保证反应室7的气密性（要求漏气率优于10-8mbarl/s），在外密封金属管20与石英棒外套15之间安装有外密封圈22，在石英棒16和石英棒外套15之间安装有内密封圈21。 

石英棒16的下端面17高于石英棒外套15的下端面18，石英棒外套15的下端面18高于MOCVD喷头9的内壁底面19。 

外延片8和MOCVD喷头9之间的间距为11mm。 

为了能使激发的激光从石英棒16出来后聚焦照射到外延片8的表面，石英棒16的下端面17要做成有利于聚焦及发射光谱收集的球面或平面状。 

手套箱5的空间有限，MOCVD喷头9还要运动，本实施例只有一根复用光纤10位于手套箱5内，使用此复用光纤10一方面可保证足够的灵活性，另一方面可保证整个测试系统有很强的抗电磁干扰特性，并保证有足够的微弱光谱检测灵敏度。 

本实施例的激光器3为氮化镓激光器，其波长约405nm。 

石英棒16也可是蓝宝石棒，也可是自聚焦透镜，它们的特点是圆棒状，侧面可密封。 

实施例2： 

实施例2的结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

在图5中，用Y形光纤块28来代替整个图4部分中的光纤分支块12，Y形光纤块28由干光纤27、光谱光纤11和激光光纤13组成，干光纤27实际上就是将光谱光纤11、激光光纤13合并而成，然后共同和石英棒16的端面实现耦合，甚至取消石英棒16，将两光纤直接伸到反应室7中，此时要对光纤和反应室之间进行真空密封。使用Y形光纤块28的耦合效率会降低至少1倍之多，虽然方便。

为了避免外延片8反射的激光（含有外延片膜厚信息）进入光纤光谱仪2，可在光纤光谱仪2的前面或内部增加滤光片来滤去激光，还可在光纤光谱仪2的前面加一块只对激光绝大部分都反射、又不影响光致发光通过的分光镜，此分光镜后面再接光电二极管即可扩展成膜厚仪。 

应当理解是，上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的非实质性的替换或修改的发明创造均落入本发明保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种在线测量发光二极管外延片光致发光光谱装置，包括反应室和控制系统，在放置于手套箱内的反应室内安装有MOCVD加热器，在MOCVD加热器的上面依次从下至上安装有石墨衬底基座和外延片，MOCVD加热器对石墨衬底基座进行加热控温，在反应室的顶端安装有正对外延片且与外延片间隔放置的MOCVD喷头，其特征在于：在MOCVD喷头上加工有一个垂直于外延片且贯通的石英棒组件孔，石英棒组件由石英棒和套在石英棒外壁的石英棒外套组成，在MOCVD喷头的外壁顶部、石英棒组件孔的周围设有外密封金属管，石英棒和石英棒外套一齐从上至下穿过外密封金属管插入石英棒组件孔中；在光纤分支块中的分光棱镜上分别安装有呈“T”字形排布的激光发射准直头、激发接收准直头和光谱准直头；激发接收准直头和光谱准直头在同一条直线上，激光发射准直头与激发接收准直头、光谱准直头垂直，激光光纤连接在激光器的激光输出孔和激光发射准直头的激光输入孔之间，复用光纤连接在激发接收准直头和石英棒的上端面之间，光谱光纤连接在光谱准直头的光谱导出孔和光纤光谱仪的光谱导入孔之间；控制系统对反应室、激光器和光纤光谱仪进行控制；激光器发出的激光通过激光光纤和激光发射准直头导入到光纤分支块的分光棱镜上，经分光棱镜反射后依次进入激发接收准直头、复用光纤和石英棒，然后导入到反应室内；从石英棒射出的激光直射外延片并激发外延片，外延片产生的激发光谱再由石英棒收集并通过复用光纤、激发接收准直头导入到分光棱镜上，穿过分光棱镜后经过光谱准直头、光谱光纤进入到光纤光谱仪，光纤光谱仪会显示出光致发光光谱；控制系统能接收光纤光谱仪的光谱数据，根据光谱强度，在生长完一层发光材料后，能主动停止生长，将外延片的生长温度从730℃降至330℃进行光致发光光谱检测，再回升到730℃继续生长。

2.根据权利要求1所述的在线测量发光二极管外延片光致发光光谱装置，其特征在于：在外密封金属管处的石英棒和石英棒外套之间安装有内密封圈，在石英棒外套和外密封金属管之间安装有外密封圈。

3.根据权利要求1所述的在线测量发光二极管外延片光致发光光谱装置，其特征在于：石英棒的下端面高于石英棒外套的下端面，石英棒外套的下端面高于MOCVD喷头的内壁底面。

4.根据权利要求1所述的在线测量发光二极管外延片光致发光光谱装置，其特征在于：石英棒的下端面为球面或平面状。

5.根据权利要求1所述的在线测量发光二极管外延片光致发光光谱装置，其特征在于：外延片和MOCVD喷头之间的间距为11mm。

6.根据权利要求1所述的在线测量发光二极管外延片光致发光光谱装置，其特征在于：使用Y形光纤块来代替权利要求1中的光纤分支块，Y形光纤块由干光纤、光谱光纤和激光光纤组成。

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