CN103645033B - 一种测量led内量子效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用变激光激发密度荧光光谱测试LED内量子效率的方法，制作测试样品，所述测试样品具有量子阱结构，从下至少依次包括衬底、低温成核层、低温缓冲层、n型层、有源区和p型层；将LED样品装入光谱仪的样品室内，在激光器到样品的光路上放置圆衰减片，通过调节衰减片位置，实现激光功率的连续可调；然后放置一分支光路，其分光比例一定，通过分支光路的实时测量来获取测试光路的激光功率，并测量测试光路的光斑大小来获得激光激发密度；通过改变激光圆衰减片位置，测量不同的激光功率并计算相应的激光激发密度，然后通过探测器获得相应的荧光光谱；计算并列表激光激发密度和对应的荧光光谱积分强度；根据速率方程和内量子效率定义，拟合得出内量子效率。

Description

一种测量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，具体涉及一种测量LED内量子效率的方法，可适用于蓝光、绿光、紫光和紫外光等所有LED的内量子效率的测量。

背景技术

目前，LED的外量子效率可以通过电学测量直接得出。而要测量LED的内量子效率，目前并没有合适的直接测量方法。目前通用的内量子效率测试方法采用低温荧光光谱和室温荧光光谱的强度比值来表征LED的内量子效率，这种方法存在假定低温下内量子效率为100％，吸收系数和折射率随温度变化不变的，并且这种最重要的问题在于需要低温环境，给日常检测带来了很大的不便。

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现有的LED内量子效率的测量方法对环境要求高、操作不便和测试精确不高的缺点。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种利用变激光激发密度荧光光谱测试LED内量子效率的方法，包括如下步骤：

步骤S1：制作测试样品，所述测试样品具有量子阱结构，从下至少依次包括衬底、低温成核层、低温缓冲层、n型层、有源区和p型层；

步骤S2：将LED样品装入光谱仪的样品室内，在激光器到样品的光路上放置圆衰减片，通过调节衰减片位置，实现激光功率的连续可调；然后放置一分支光路，其分光比例一定，通过分支光路的实时测量来获取测试光路的激光功率，并测量测试光路的光斑大小，来获得激光激发密度；

步骤S3：通过改变激光圆衰减片位置，测量不同的激光功率并计算相应的激光激发密度，然后通过探测器获得相应的荧光光谱；

步骤S4：计算并列表激光激发密度和对应的荧光光谱积分强度；

步骤S5：根据速率方程和内量子效率定义，拟合得出内量子效率。

根据本发明的一种具体实施方式，所述测试样品为紫外、蓝光和绿光等GaN基LED外延片或紫外、蓝光和绿光GaN基多量子阱外延片。

根据本发明的一种具体实施方式，所述荧光光谱仪为稳态激光激发光致发光光谱仪，其激发光源的最大激发密度达到50MW/cm²，其波长为相应的共振激发波长。

根据本发明的一种具体实施方式，所述分支光路比例为10％：90％。

根据本发明的一种具体实施方式，在步骤S5中，根据公式计算所述内量子效率，其中，η_IQE为内量子效率，η_c为光致发光谱(PL)收集系数，I_PL为光致发光谱的积分强度，I_PL＝η_cBN²，其中，B为辐射复合系数，N为载流子浓度，P_laser为激光功率，R为菲涅尔反射系数，α为吸收系数，A_spot为激光光斑面积，d为有源区厚度，hv为激发光光子能量。

(三)有益效果

本发明利用荧光强度变化与内量子效率变化规律的对应关系，计算出LED的内量子效率，省去了常规内量子效率测试方法中低温环境等严苛条件的限制，简单有效。

附图说明

图1是荧光光谱仪的结构示意图。

图2是本发明的样品结构示意图。

具体实施方式

有鉴于此，为了方便高效地测量LED的内量子效率，本发明通过在激光器前面设置一个圆衰减片，实现了激光激发密度的变化，并在该圆衰减片后面放置分支光路，使之分为分支参考光路和测试光路，通过测量分支参考光路的功率，确定测试光路的激光功率密度，并保证测试光路的激光功率密度的稳定性。利用荧光强度变化与内量子效率变化规律的对应关系，计算出LED的内量子效率。

本发明的关键在于在不同的激发密度的激光辐照下，相同温度条件下光生载流子发生辐射复合和非辐射复合的几率不变，这样就可以给出内量子效率随激发密度的变化规律；同时通过参考光路，可以准确的测得激光的功率，进而得到激发密度，再结合光生载流子速率方程和菲涅耳系数等就可以得出内量子效率。

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。

图1是本发明的测量方法的原理示意图。如图1所示，LED样品位于可控温的样品室内(为了测量的准确性，可以通过高温或低温测量来验证室温测量结果)，在激光器到样品的光路上放置圆衰减片，实现激光功率的连续可调，然后放置一分支光路，通过分支光路的实时测量来获得测试光路的激光功率密度。激光通过反射镜照射到样品上激发荧光；荧光通过收集透镜会聚到单色仪的狭缝，之后通过探测器获得光谱。所述分支光路比例可为10％：90％。

其于上述原理，本发明的测试LED内量子效率的方法包括以下步骤:

步骤S1：制作测试样品，所述测试样品具有量子阱结构，从下至少依次包括衬底、低温成核层、低温缓冲层、n型层、有源区和p型层，其中有源区为双异质结结构、单量子阱结构或者是多量子阱结构。图2显示了一个测试样品的层状结构图。

所述测试样品也可以是多量子阱样品(未生长p型层的LED)；

本发明的LED测试样品可为紫外、蓝光和绿光等GaN基LED外延片；MQWs测试样品可为紫外、蓝光和绿光等GaN基多量子阱外延片。

步骤S2：将LED样品装入光谱仪的样品室内，在激光器到样品的光路上放置圆衰减片，通过调节衰减片位置，实现激光功率的连续可调；然后放置一分支光路，其分光比例一定，通过分支光路的实时测量来获取测试光路的激光功率，并测量测试光路的光斑大小来获得激光激发密度。

通过激光照射到样品表面产生荧光，随后荧光通过收集透镜会聚到单色仪的狭缝，之后通过光栅分光到达探测器，获得荧光光谱。

其中荧光光谱仪为稳态激光激发光致发光光谱仪，其最大激发密度达到50MW/cm²。

步骤S3：通过改变激光圆衰减片位置，测量不同的激光功率并计算相应的激光激发密度，然后通过探测器获得相应的荧光光谱；

步骤S4：计算并列表激光激发密度和对应的荧光光谱积分强度；

通过数据处理软件(如excel、origin等)分析荧光光谱的积分强度，并列出激光激发密度和荧光光谱积分强度的对应表格，获得随激光激发密度的变化，荧光光谱积分强度的变化趋势。

步骤S5：根据速率方程和内量子效率定义，拟合得出内量子效率。

载流子速率方程：

R＝AN+BN²+CN³+f(N)

式中：

R——载流子速率；N——载流子浓度；A——非辐射复合系数；

B——辐射复合系数；C——俄歇复合系数；f(N)——高阶系数；

在本方法中f(N)可以忽略，而C的数量级为10^-34，数值较小，同样可以忽略。

光注入载流子方程：

$G=\frac{P_{laser}(1-R)\[1-\exp (-\mathrm{\α}d)\]}{A_{spot}\·h\mathrm{\ν}\·d}\≈\frac{P_{laser}(1-R)\mathrm{\α}}{A_{spot}\·h\mathrm{\ν}}$

式中:

P_laser——激光功率；

R——菲涅尔反射系数；

α——吸收系数；

A_spot——激光光斑面积；

d——有源区厚度；

hv——激发光光子能量。

假定菲涅尔系数和吸收系数在同温下不同激光激发密度辐照的情况下数值不变。

由G∝P_laser，设I_PL＝η_cBN²，

η_c为光致发光谱(PL)收集系数，

稳态下，

$G=A{\left(\frac{I_{PL}}{{\mathrm{\η}}_{c}B}\right)}^{1/2}+\frac{I_{PL}}{{\mathrm{\η}}_c}+C{\left(\frac{I_{PL}}{{\mathrm{\η}}_{c}B}\right)}^{3/2}$

根据上述公式，推导出：η_IQE为内量子效率。

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 (5)

1.一种利用变激光激发密度荧光光谱测试LED内量子效率的方法，包括如下步骤：

步骤S1：制作测试样品，所述测试样品具有量子阱结构，从下至上依次包括衬底、低温成核层、低温缓冲层、n型层、有源区和p型层；

步骤S2：将LED样品装入光谱仪的样品室内，在激光器到样品的光路上放置圆衰减片，通过调节衰减片位置，实现激光功率的连续可调；然后放置一分支光路，其分光比例一定，通过分支光路的实时测量来获取测试光路的激光功率，并测量测试光路的光斑大小来获得激光激发密度；

步骤S3：通过改变激光圆衰减片位置，测量不同的激光功率并计算相应的激光激发密度，然后通过探测器获得相应的荧光光谱；

步骤S4：计算并列表激光激发密度和对应的荧光光谱积分强度；

步骤S5：根据速率方程和内量子效率定义，拟合得出内量子效率。

2.根据权利要求1所述的利用变激光激发密度荧光光谱测试LED内量子效率的方法，其特征在于，所述测试样品为紫外、蓝光和绿光GaN基LED外延片或紫外、蓝光和绿光GaN基多量子阱外延片。

3.根据权利要求1所述的利用变激光激发密度荧光光谱测试LED内量子效率的方法，其特征在于所述光谱仪为稳态激光激发光致发光光谱仪，其激发光源的最大激发密度达到50MW/cm²，其波长为相应的共振激发波长。

4.根据权利要求1所述的利用变激光激发密度荧光光谱测试LED内量子效率的方法，其特征在于，所述分支光路比例为10％：90％。

5.根据权利要求1所述的利用变激光激发密度荧光光谱测试LED内量子效率的方法，其特征在于，在步骤S5中，根据公式计算所述内量子效率，其中，η_IQE为内量子效率，η_c为光致发光谱(PL)收集系数，I_PL为光致发光谱的积分强度，I_PL＝η_cBN²，其中，B为辐射复合系数，N为载流子浓度， $G=\frac{P_{laser}(1-R)\[1-\exp (-\mathrm{\α}d)\]}{A_{spot}\·hv\·d}\≈\frac{P_{laser}(1-R)\mathrm{\α}}{A_{spot}\·hv},$ P_laser为激光功率，R为菲涅尔反射系数，α为吸收系数，A_spot为激光光斑面积，d为有源区厚度，hv为激发光光子能量。