CN103528802A - 一种利用电致发光谱测量氮化物led内量子效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量氮化物LED内量子效率的方法，包括如下步骤：制作多个氮化物LED测试样品，使之自下至上依次为衬底、n型层、有源区、p型层和ITO层；从各测试样品表面到n型层刻蚀出一个台面，在该台面上蒸镀上n电极，在ITO层表面蒸镀p电极，在除电极外四周其它区域蒸镀一层光吸收抑制层，在各测试样品表面中心位置光刻出一定孔径的出光孔；计算测试样品的光提取效率；利用积分球测量各测试样品，获得在不同电流密度下的不同孔径内的光功率；通过光功率计算测试样品的外量子效率，并通过所得到的光提取效率计算内量子效率。本发明能够消除光致发光谱测量内量子效率带来的负面影响。

Description

一种利用电致发光谱测量氮化物LED内量子效率的方法

技术领域

本发明涉及半导体LED测试技术领域，具体涉及一种利用电致发光谱测量氮化物LED内量子效率的方法。本发明可适用于蓝光、绿光、紫光和紫外光等所有氮化物LED内量子效率的测量。

背景技术

如何准确的测量氮化物LED的内量子效率一直是目前LED发展的一个重要课题。很多因素影响了载流子如何电注入到有源区，如何通过辐射复合和非辐射复合释放出能量，以及光子如何出射到外界和内部多次反射消散所占的比例。目前国内外还没有一种方法可以准确的测出LED的内量子效率。当前国内外通用的方法是采用变温光致发光谱测量内量子效率：假定低温下光子相关的非辐射复合被抑制，光子完全以辐射复合的形式释放。这就需要假定吸收系数，注入效率和提取效率不随温度变化而改变。而且最关键的是要忽略光致发光和电致发光本质的区别：载流子注入到有源区的机制，电注入引起的偏压现象，发光波长和半高宽的区别，以及极性材料中量子斯塔克效应引起的波函数的重叠。因此，通过一种好的方法来去测量氮化物LED的内量子效率，消除上述影响，使其接近真实值具有重要意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是通过电注入的方法测量内量子效率。现有的氮化物LED内量子效率的测量方法主要通过变温光致发光谱测量内量子效率，其注入载流子为光子，通过激光注入实现。这种方法忽略了电注入效率和光注入效率的区别，可能带来一定的误差。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种测量氮化物LED内量子效率的方法，包括如下步骤：S1、制作多个氮化物LED测试样品，每个测试样品自下至上依次为衬底、n型层、有源区、p型层和ITO层；从r所述LED测试样品表面到n型层刻蚀出一个台面，在该台面上蒸镀上n电极，在ITO层表面蒸镀p电极，在除电极外四周其它区域蒸镀一层光吸收抑制层；S2、在各所述LED测试样品表面中心位置光刻出一定孔径的出光孔，各所述测试样品的出光孔孔径不同；S3、计算所述各氮化物LED测试样品的光提取效率；S4、利用积分球测量所述氮化物LED测试样品，获得在不同电流密度下的不同孔径内的光功率；S5、过步骤S4测量得到的光功率计算所述氮化物LED测试样品的外量子效率，并通过所得到的光提取效率计算内量子效率。

根据本发明的一种具体实施方式，所述有源区为1～20对GaN／InGaN，AlN／AlGaN，AlGaN／GaN，InGaN／InGaN等量子阱。

根据本发明的一种具体实施方式，所述光吸收抑制层采用碳纳米颗粒。

根据本发明的一种具体实施方式，所述碳纳米颗粒直径为10nm～100nm，厚度为100nm～100μm。

根据本发明的一种具体实施方式，所述出光孔的直径为10μm～1000μm。

根据本发明的一种具体实施方式，所述出光孔的直径为10μm～500μm。

根据本发明的一种具体实施方式，所述步骤S3中计算所述氮化物LED测试样品的光提取效率的公式为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{ext}}=\frac{n_{\mathrm{out}}}{n_{\mathrm{emit}}}$

η_ext为光提取效率，n_out为出射的光子数，n_emit为有源区产生的光子数。

根据本发明的一种具体实施方式，在步骤S5中，计算所述内量子效率的公式为

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ext}}}$

其中，η_EQE为外量子效率，η_IQE为内量子效率，η_ext为光提取效率，其中

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}=\frac{P_{\mathrm{OUT}}\·q}{\mathrm{hv}\·I}=\frac{P_{\mathrm{OUT}}\mathrm{\λ}}{1240I}$

其中P_OUT为光功率，q为电荷数，h为普朗克常数，v为频率，I为电流，λ为峰值波长。

(三)有益效果

本发明的利用电致发光光谱测量LED内量子效率的方法通过电致发光测量内量子效率，消除了光致发光谱测量内量子效率带来的负面影响：载流子注入到有源区的机制，电注入引起的偏压现象，发光波长和半高宽的区别，以及极性材料中量子斯塔克效应引起的波函数的重叠。

本发明简单有效，可以更准确的测量内量子效率。

附图说明

图1是氮化物LED外延片的结构示意图；

图2是本发明的氮化物LED的测试样品的结构示意图；

图3是本发明的氮化物LED的测试样品的示意图

图4是本发明的氮化物LED的测试系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种特殊设计的芯片结构来测量氮化物LED的光功率，进而得出该氮化物LED的外量子效率，这是真实可测的实际值；然后通过设立相应的LED结构出光的提取效率的模型，推导出有源区产生的光通过LED结构出光后的提取效率；最后通过计算，得出LED的内量子效率。

实际应用中，LED既可以是LED外延片，也可以是LED芯片，LED外延片通常指的是LED全结构晶片(Wafer)，而通过刻蚀、减薄、蒸镀、划裂、封装等工艺加工后得到LED芯片。氮化物LED外延片的结构如图1所示，其自下至上依次为衬底、n型层、有源区和p型层，其中有源区为双异质结结构、单量子阱或者是多量子阱结构。

本发明的测试包括如下步骤：

步骤S1：制作多个氮化物LED测试样品。如图2所示，所述测试样品自下至上依次为衬底、n型层、有源区、p型层和ITO层。

从每个LED测试样品表面到n型层刻蚀出一个台面，在上面蒸镀上n电极(如Cr、Pt、Au合金等)，在ITO表面蒸镀p电极(如Cr、Pt、Au合金等)，在除电极外四周其它区域蒸镀一层光吸收抑制层。

其中有源区可以为1～20对GaN／InGaN，AlN／AlGaN，AlGaN／GaN，InGaN／InGaN等量子阱。

其中光吸收抑制层可以采用碳纳米颗粒，碳纳米颗粒直径为10nm～100nm，厚度为100nm～100μm，且二次涂层完全消除划片间隙和表面出光。

对于氮化物LED外延片来说，在制作时，将外延片衬底通过研磨抛光减薄后，通过光刻板在LED表面进行ICP刻蚀后，在外延片表面刻出n型电极区域，并蒸镀n型电极，在外延片底部和侧面涂上碳纳米颗粒，作为光吸收抑制层，而后在表面做上ITO，p电极等，然后进行激光裂片，裂片后在电极表面蒸镀保护层，然后在表面二次蒸镀残纳米颗粒，以消除划片造成的表面出光。

步骤S2、在各样品表面中心位置刻出一定孔径的出光孔，各所述测试样品的出光孔孔径不同，出光孔的直径为10μm～1000μm，优选为10μm～500μm。由此，保证该LED测试样品发出的光，除了孔径范围内的光，其他方向的光完全被吸收。最终得到如图3所示的氮化物LED测试样品芯片。图3是俯视图，如图所示，在样品两边分别具有正负叉指电极，在样品中心位置具有出光孔径。

步骤S3：计算所述氮化物LED测试样品的光提取效率。

通过软件架构氮化物LED测试样品结构模型，假定有源区的一定量的光子在LED内部不同方向向外透射的光全部被吸收，除了通过给定出光孔的孔径内的出射光，多次反射后也被完全吸收。这样出射出的光子数除以有源区产生的光子数即为光提取效率。

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{ext}}=\frac{n_{\mathrm{out}}}{n_{\mathrm{emit}}}$

η_ext为光提取效率，n_out为出射的光子数，n_emit为有源区产生的光子数。

步骤S4：利用积分球测量所述氮化物LED测试样品，获得在不同电流密度下的不同孔径内的光功率。

其中不同孔径内的光功率为裸芯(如图3所示)光功率，通过如图4所示，测试系统包括积分球、电源、光色热测试系统：电源与待测样品连接，提供电流输入；积分球将样品发出的光汇聚收集进入光纤；光纤与光色热测试系统连接进行测试分析。首先在积分球内装上裸芯样品，通上电流，利用光纤收集光谱，通过光色热测试系统测量光强和光功率。为了测试精度，可以测量不同电流下的光功率。

步骤S5：通过步骤S4测量得到的光功率计算所述氮化物LED测试样品的外量子效率，并通过所得到的光提取效率计算内量子效率。

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}=\frac{P_{\mathrm{OUT}}\·q}{\mathrm{hv}\·I}=\frac{P_{\mathrm{OUT}}\mathrm{\λ}}{1240I}$

其中，η_EQE为外量子效率，P_OUT为光功率，q为电荷数，h为普朗克常数，v为频率，I为电流，λ为峰值波长。

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ext}}}$

其中，η_EQE为外量子效率，η_IQE为内量子效率，η_ext为光提取效率。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

该实施例测试为一个蓝光LED的内量子效率测试实验。具体来说，其包括如下步骤：

步骤S1：制作多个氮化物LED测试样品。蓝光LED测试样品自下至上依次为衬底、n型层、有源区、p型层和ITO层。从LED表面刻蚀800nm到n型层形成一个台面，在上面蒸镀上300nm的n电极(Cr、Pt、Au合金)，在ITO表面蒸镀300nm的p电极(Cr、Pt、Au合金)，在除电极外四周其它区域蒸镀一层C纳米颗粒作为光吸收抑制层。

其中有源区可以为8对GaN／InGaN多量子阱。

其中光吸收抑制层可以采用碳纳米颗粒，碳纳米颗粒直径为30nm，厚度为5μm，且二次涂层完全消除划片间隙和表面出光。

步骤S2、在各样品表面中心位置光刻出一定孔径的出光孔，出光孔的直径为10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、100μm。

步骤S3：计算各所述氮化物LED测试样品的光提取效率。

通过matlab软件架构LED结构模型，假定有源区的一定量的光子在LED内部不同方向向外透射的光全部被吸收，除了通过给定孔径内的出射光，多次反射后也被完全吸收。这样出射出的光子数除以有源区产生的光子数即为光提取效率。

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{ext}}=\frac{n_{\mathrm{out}}}{n_{\mathrm{emit}}}=5.34\%$

η_ext为提取效率，n_out为出射的光子数，n_emit为有源区产生的光子数。

步骤S4：利用积分球测量所述氮化物LED在不同电流密度下的不同孔径内的光功率。

通过如图4所示测试系统，包括积分球，电源，光色热测试系统等。首先在积分球内装上裸芯样品，通上350mA电流，利用光纤收集光谱，通过光色热测试系统测量光强和光功率。其发光峰值波长为450nm，光功率为22.3mW。

步骤S5：通过所述光功率计算所述测试样品的外量子效率，并通过所得到的光提取效率计算内量子效率。

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}=\frac{P_{\mathrm{OUT}}\·q}{\mathrm{hv}\·I}=\frac{P_{\mathrm{OUT}}\mathrm{\λ}}{1240I}=2.31\%$

其中，η_EQE为外量子效率，P_OUT为光功率，q为电荷数，h为普朗克常数，v为频率，I为电流，λ为峰值波长。

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ext}}}=43.2\%$

其中，η_EQE为外量子效率，η_IQE为内量子效率，η_ext为提取效率。

本发明通过特定尺寸的碳纳米颗粒，并采用二次涂层技术消除了的光的泄露，避免了用光致发光谱去衡量电致发光效率：载流子注入到有源区的机制，电注入引起的偏压现象，发光波长和半高宽的区别，以及极性材料中量子斯塔克效应引起的波函数的重叠。本发明通过电致发光去测量内量子效率，消除了上述影响，因此更接近真实值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量氮化物LED内量子效率的方法，包括如下步骤：

S1、制作多个氮化物LED测试样品，所述测试样品自下至上依次为衬底、n型层、有源区、p型层和ITO层；从所述测试样品表面到n型层刻蚀出一个台面，在该台面上蒸镀上n电极，在ITO层表面蒸镀p电极，在除电极外四周其它区域蒸镀一层光吸收抑制层；

S2、在各所述测试样品表面中心位置光刻出一定孔径的出光孔，各所述测试样品的出光孔孔径不同；

S3、计算所述各测试样品的光提取效率；

S4、利用积分球测量各所述测试样品，获得在不同电流密度下的不同孔径内的光功率；

S5、通过步骤S4测量得到的光功率计算所述测试样品的外量子效率，并通过所得到的光提取效率计算内量子效率。

2.如权利要求1所述的测量氮化物LED内量子效率的方法，其特征在于，所述有源区为1～20对GaN／InGaN，AlN／AlGaN，AlGaN／GaN，InGaN／InGaN等量子阱。

3.如权利要求1所述的测量氮化物LED内量子效率的方法，其特征在于，所述光吸收抑制层采用碳纳米颗粒。

4.如权利要求3所述的测量氮化物LED内量子效率的方法，其特征在于，所述碳纳米颗粒直径为10nm～100nm，厚度为100nm～100μm。

5.如权利要求1所述的测量氮化物LED内量子效率的方法，其特征在于，所述出光孔的直径为10μm～1000μm。

6.如权利要求5所述的测量氮化物LED内量子效率的方法，其特征在于，所述出光孔的直径为10μm～500μm。

7.如权利要求1所述的测量氮化物LED内量子效率的方法，其特征在于，所述步骤S3中计算所述氮化物LED测试样品的光提取效率的公式为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{ext}}=\frac{n_{\mathrm{out}}}{n_{\mathrm{emit}}}$

η_ext为光提取效率，n_out为出射的光子数，n_emit为有源区产生的光子数。

8.如权利要求1所述的测量氮化物LED内量子效率的方法，其特征在于，在步骤S5中，计算所述内量子效率的公式为

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ext}}}$

其中，η_EQE为外量子效率，η_IQE为内量子效率，η_ext为光提取效率，其中

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}=\frac{P_{\mathrm{OUT}}\·q}{\mathrm{hv}\·I}=\frac{P_{\mathrm{OUT}}\mathrm{\λ}}{1240I}$

其中P_OUT为光功率，q为电荷数，h为普朗克常数，v为频率，I为电流，λ为峰值波长。

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