一种利用光致发光谱测量GaN基LED的极化电场的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用光致发光谱测量GaN基LED极化电场的方法，该方法包括制作GaN基LED测试样品，利用激光完全辐照所述测试样品并测量其输出的光电流和光电压，对所述测试样品的n电极接正电压，p电极接负电压，形成反向偏压，对所述测试样品施加等于光电压的反向偏压，测量其光致发光谱，并记录其发光波长，然后分步增大反向偏压，并测量其光谱和波长，在波长由逐渐变短转为变长时，停止增大反向偏压并停止测量，利用停止测量时的反向偏压减去光电压得到所述测试样品的极化电压，根据该极化电压计算测试样品的极化电场。本发明对样品要求简单，制样方便，可以较快地获得测试结果，有利于满足生产和研发工艺中对测试数据的迫切需求。
【专利说明】一种利用光致发光谱测量GaN基LED的极化电场的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体LED测试【技术领域】，具体涉及一种利用光致发光谱测量GaN基LED的极化电场的方法，本发明可适用于蓝光、绿光、紫光和紫外光等所有GaN基LED的极化电场的测量。
【背景技术】
[0002]随着GaN基白光LED的迅猛发展，LED效率有了很大提高，目前已逐步取代目前照明所用的白炽灯和荧光灯。但是其效率相对理论值还有很大提升空间，特别是在大电流下，LED的efficiency droop现象十分严重。关于droop效应,很大的因素在于极性衬底材料带来的GaN极性生长，从而在LED内部形成了大的内建极化电场(压电极化电场)，而在大电流注入下，又进一步增大了能带弯曲，从而强化了 LED的极化效应。为此，很多采用非极性衬底等生长非极性GaN材料的方法应运而生，但目前还没有高效率LED的报道出现，并且其内部仍然存在极化效应，对LED的发光效率仍然有较大的影响。
[0003]为了测量LED的极化电场，借鉴了很多GaAs体系的方法，如波长偏移与组份变化计算法，但由于GaN具有较高的位错密度，其发光波长与组份并不完全对应，难以准确测量。因此研究极化电场的准确测量方法，对LED的效率提升研究具有重要的意义。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]本发明所要解决的技术问题是现有的LED极化电场测量方法准确度不高，难以为LED的效率研究提供支持。
[0006]( 二 )技术方案
[0007]本发明提供一种利用光致发光谱测量GaN基LED极化电场的方法，包括步骤SI:制作GaN基LED测试样品，所述测试样品白下至上依次为衬底、低温成核层、低温缓冲层、η型层、有源区和P型层，P型层和η型层上分别具有P电极和η电极；步骤S2:利用激光完全辐照所述测试样品并测量其输出的光电流和光电压；步骤S3:对所述测试样品的η电极接正电压，P电极接负电压，形成反向偏压；步骤S4:对所述测试样品施加等于光电压的反向偏压，测量其光致发光谱，并记录其发光波长，然后分步增大反向偏压，并测量其光谱和波长，在波长由逐渐变短转为变长时，停止增大反向偏压并停止测量；步骤S5:利用步骤S4停止测量时的反向偏压减去步骤S2得到的光电压得到所述测试样品的极化电压，根据该极化电压计算测试样品的极化电场。
[0008]根据本发明的优选实施方式，在步骤SI中，利用GaN基LED外延片制作测试样品的步骤为:在所述外延片上选取一测试区域，对测试区域的一侧进行刻蚀，刻蚀深度到达η型层的表面，形成一台面，并在该台面上制备η电极；在测试区域的另一侧制备P电极，制成测试样品。
[0009]根据本发明的优选实施方式，所述步骤S2中采用共振激光器产生所述激光。[0010]根据本发明的优选实施方式，所述所述步骤S3在IOK?450K的温度环境中进行。
[0011]根据本发明的优选实施方式，步骤S4中分步的步长为IV。
[0012]根据本发明的优选实施方式，在步骤S5中，根据如下公式计算测试样品的极化电场:E=(U1-Utl) / d，其中，E为所述极化电场的电场强度，U1为所述步骤S4停止测量时的反向偏压，U0为所述步骤S2得到的光电压，d为所述测试样品的有源区厚度。
[0013](三)有益效果
[0014]本发明利用能带弯曲理论，通过施加反向偏压使能带由倾斜变为水平再倾斜，由平衡的反向偏压作为极化电压，进而算出极化电场，直观的表征出LED内部极化效应引发的极化电场。
[0015]由于InGaN和GaN的晶格失配以及InGaN中In组份的波动，导致LED内部的白发极化和应变极化难以直接测量。本发明通过在反向偏压下直接测量光致发光波长变化，可以准确的计算出LED内部的极化电场。
[0016]本发明对样品要求简单，制样方便，可以较快地获得测试结果，有利于满足生产和研发工艺中对测试数据的迫切需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是GaN基LED外延片的结构示意图；
[0018]图2是本发明的GaN基LED测试样品的结构示意图；
[0019]图3是本发明的测试装置的结构示意图；
[0020]图4是对测试样品施加反向偏压时的能带示意图。
【具体实施方式】
[0021 ] 本发明从电场平衡角度出发，通过对GaN基LED施加反向偏压形成的电场来抵消其内建极化电场的作用，根据能带弯曲理论，结合GaN基LED的波长变化来测量LED的内建极化电场。
[0022]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。GaN基LED外延片的结构如图1所示，其白下至上依次为衬底、低温成核层、低温缓冲层、η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。
[0023]本发明的测试方法包括如下步骤:
[0024]步骤S1:制作GaN基LED测试样品，所述测试样品白下至上依次为衬底、低温成核层、低温缓冲层、η型层、有源区和P型层，P型层和η型层上分别具有P电极和η电极。
[0025]对于LED芯片来说，制作测试样品时，只需要去掉芯片表面的封装材料，使激光可以直射样品即可。
[0026]对于LED外延片来说，可先在外延片上选取一测试区域，对测试区域的一侧进行刻蚀，刻蚀深度到达η型层的表面，形成一台面，并在该台面上制备η电极；在测试区域的另一侧制备P电极，制成测试样品2。制成的测试样品的结构如图2所示。
[0027]步骤S2:利用激光完全辐照所述测试样品并测量其输出的光电流和光电压。激光器优选为相应的共振激光器。[0028]步骤S3:对所述测试样品的η电极接正电压，P电极接负电压，形成反向偏压。
[0029]该施加偏压的步骤可通过一个直流电源来实现。该步骤可在IOK?450Κ时进行，优选为将测试样品置于低温环境中，这样有利于光谱波长的确认与读取。优选的低温环境为10Κ。另外低温环境下需要考虑串联电阻增加引入的电压升高等因素。若不具备低温环境，本发明在室温下也可进行。
[0030]步骤S4:对所述测试样品施加等于光电压的反向偏压，测量其光致发光谱，并记录其发光波长，然后分步增大反向偏压后测量其光谱和波长，当波长由逐渐蓝移转为红移时，停止增大反向偏压并停止测量。
[0031]如图4所示，通过IV的步长分别测量不同偏压下的荧光光谱，其波长随着反向偏压的增大，会逐渐蓝移，此时的反向偏压使得LED的带隙变大，能带由倾斜变为平行；在能带平行后，随着反向偏压的进一步增大，能带向反方向倾斜，带隙变小，此时波长开始红移。
[0032]步骤S5:利用步骤S4停止测量时的反向偏压减去步骤S2得到的光电压得到所述测试样品的极化电压，根据该极化电压计算该测试样品的极化电场。
[0033]根据平带条件，E=U / d，E为电场强度，U为平带间电压，d为有源区厚度。
[0034]步骤S4停止测量时的反向偏压U1减去光电压就是LED样品的极化电压U。，即为平带间电压U。通过上述公式计算,得出其极化电场E=U / d= (U1-U0) / do
[0035]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。
[0036]该实施例是测试一个蓝光LED的极化电场，具体包括如下步骤:
[0037]步骤S1:利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)生长GaN基LED外延片，外延片为蓝光GaN基LED外延片。如前所述，其结构依次为衬底，低温成核层、低温缓冲层、η型层、有源区和P型层，其中有源区是多量子阱结构，多量子阱的个数为9个，讲的厚度为3nm,鱼层厚度为12nm。
[0038]在外延片上选取一测试区域，在上面的一侧采用ICP进行刻蚀，刻蚀深度到达η型层的表面以下Iym左右，形成一台面，并在其上利用PECVD制备η电极，在另一侧制备P电极，并加上引线，制成测试样品。该步骤也可采用LED芯片工艺制成标准LED芯片；
[0039]步骤S2:将测试样品连接上导线，并安装在测试仪器上，仪器示意图如图3所示，利用共振激光完全辐照样品并用电流电压表测量相应的光生电流和光生电压。
[0040]如图3所示，所述测试仪器包括电压源、单色仪、探测器、激光器以及控温系统等。通过电压源与测试样品连接，对样品施加反向偏压；通过激光器对测试样品辐照，产生荧光；通过单色仪和探测器实现荧光的收集和光谱测试，并记录波长；控温系统可以实现测试要求的不同温度条件。
[0041]步骤S3:通过一直流电压源对测试样品η电极接正极，P电极接负极，形成反向偏压；并在实现通路，不加外在偏压的情况下调节光谱信号达到最大。为了更好地测量光谱，该实施例将测试样品置于IOK温度中。
[0042]步骤S4:施加等于光生电压的反向偏压，测量其光致发光谱，并记录其发光波长，然后以IV的步长增大反向偏压，并测量其光谱和波长，在波长由逐渐变短转为变长时减小步长测量，直至找到最终平衡点。
[0043]步骤S5:此时的反向偏压减去光生电压就是LED样品的极化电压，通过上述理论计算，得出其内建极化电场。
[0044]图4是对测试样品施加反向偏压时的能带示意图，其中(a)图为极化电场初始状态，(b)图为与反向偏压平衡后状态，(c)图为反向偏压过大后状态。由于InGaN和GaN的晶格失配，在量子阱内部产生压电极化，导致能带倾斜，如(a)所示，带隙变小，随着对测试样品施加反向偏压后，抑制了极化效应，随着反向偏压的增大，反向偏压与极化电压抵消，此时能带变为平行，如(b)所示，而反向偏压的继续增加会使能带向反方向倾斜，如(C)所
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[0045]本发明中，准确测量平衡反向偏压是准确测量LED极化电场的关键，通过准确测量光电压和反向偏压，并把反向偏压减去光电压作为平衡极化电压，提高了测试准确度。
[0046]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。
【权利要求】
1.一种测量GaN基LED极化电场的方法，包括如下步骤: 步骤S1:制作GaN基LED测试样品，所述测试样品白下至上依次为衬底、低温成核层、低温缓冲层、η型层、有源区和P型层，P型层和η型层上分别具有P电极和η电极； 步骤S2:利用激光完全辐照所述测试样品并测量其输出的光电流和光电压； 步骤S3:对所述测试样品的η电极接正电压，P电极接负电压，形成反向偏压； 步骤S4:对所述测试样品施加等于光电压的反向偏压，测量其光致发光谱，并记录其发光波长，然后分步增大反向偏压，并测量其光谱和波长，在波长由逐渐变短转为变长时，停止增大反向偏压并停止测量； 步骤S5:利用步骤S4停止测量时的反向偏压减去步骤S2得到的光电压得到所述测试样品的极化电压，根据该极化电压计算测试样品的极化电场。
2.根据权利要求1所述的测量GaN基LED极化电场的方法，其特征在于:在步骤SI中，利用GaN基LED外延片制作测试样品的步骤为: 在所述外延片上选取一测试区域，对测试区域的一侧进行刻蚀，刻蚀深度到达η型层的表面，形成一台面，并在该台面上制备η电极； 在测试区域的另一侧制备P电极，制成测试样品。
3.根据权利要求1所述的利用光致发光谱测量GaN基LED极化电场的方法，其特征在于，所述步骤S2中采用共振激光器产生所述激光。
4.根据权利要求1所述`的利用光致发光谱测量GaN基LED极化电场的方法，其特征在于，所述所述步骤S3在IOK~450Κ的温度环境中进行。
5.根据权利要求1所述的利用光致发光谱测量GaN基LED极化电场的方法，其特征在于，步骤S4中分步的步长为IV。
6.根据权利要求1所述的利用光致发光谱测量GaN基LED极化电场的方法，其特征在于，在步骤S5中，根据如下公式计算测试样品的极化电场:
E=(U1-U0) / d， 其中，E为所述极化电场的电场强度,U1为所述步骤S4停止测量时的反向偏压，Utl为所述步骤S2得到的光电压，d为所述测试样品的有源区厚度。
【文档编号】G01R29/12GK103529310SQ201310459347
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】魏学成, 赵丽霞, 张连, 于治国, 王军喜, 曾一平, 李晋闽 申请人:中国科学院半导体研究所