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　　前言

　　近年來，由于白光LED無論在發(fā)光效率、功耗、壽命和環(huán)保等方面都具備傳統(tǒng)光源無法比擬的優(yōu)勢，使得白光LED逐漸取代白熾燈泡和日光燈，又隨著各國政府紛紛宣布并提出禁用白熾燈泡的時間表，更加加速了這個趨勢。

　　以白光LED的產(chǎn)生的機制可分為叁種如圖1所示，（a）由日亞化工所提出的將藍(lán)光磊芯片再加上Nd-YAG螢光體轉(zhuǎn)換為白光LED［1，2］。（b）用紫光磊芯片加上RGB叁色螢光體轉(zhuǎn)換為白光LED，目前仍在實驗階段。［3-5］（c）使用RGB叁種磊芯片混成白光LED［6，7］。目前市面上產(chǎn)品多以藍(lán)光磊芯片再加上Nd-YAG螢光體轉(zhuǎn)換為白光LED為主，所以如何提高藍(lán)光磊芯片的發(fā)光效率對白光LED的發(fā)展而言至關(guān)重要。

　　圖1 白光LED的產(chǎn)生的機制（a）Blue LED+YAG Phosphor（b）UV LED+RGB Phosphor（c）RGB LED

　　半導(dǎo)體LED的發(fā)光效率取決于材料本身的特性，當(dāng)LED注入額外載子后，額外載子的復(fù)合分為輻射復(fù)合（能帶的額外載子復(fù)合后發(fā)出光）與非輻射復(fù)合（聲子復(fù)合放出熱與歐杰復(fù)合）兩個機制，另外能帶間的缺陷能階亦會捕捉額外載子，降低額外載子復(fù)合的機會。因此近幾年來許多研究團隊為了研究如何提高LED的發(fā)光效率，紛紛借由螢光量測技術(shù)分析探討其發(fā)光機制。

　　螢光發(fā)光機制

　　螢光是一種電磁輻射放射的現(xiàn)象。對于任何材料而言，入射光子能量等于或是超過能帶時，便會激發(fā)價電帶電子跨過能帶到達(dá)導(dǎo)電帶，當(dāng)激發(fā)態(tài)的電子由導(dǎo)電帶回到價電帶時便會產(chǎn)生輻射放射，產(chǎn)生過程主要分為叁個階段如圖2所示。（a）為激發(fā)，額外載子的產(chǎn)生與激發(fā)（b）為能量釋放和復(fù)合，激發(fā)態(tài)的額外載子之能量釋放并復(fù)合（c）為螢光產(chǎn)生，復(fù)合后產(chǎn)生的螢光光子訊號。

　　圖2 螢光產(chǎn)生過程

　　其中產(chǎn)生螢光之方式大致分為兩類，分別為以高于或等于能隙能量之光子照射樣品來產(chǎn)生額外載子，或以電子注入之方式增加載子濃度以增加螢光光子產(chǎn)生之機率，借此提升量測螢光訊號之強度。此兩類方式分別稱為光激發(fā)螢光（photoluminescence，以下簡稱PL）及電激發(fā)螢光，LED的發(fā)光塬理便為電激發(fā)螢光，然而電激發(fā)螢光的量測必須嵌入電極，這就表示在嵌入電極之前的制程中必須使用光激發(fā)螢光做量測。

　　自從雷射可用來提供足夠的功率激發(fā)訊號后［8］，入射光便開始使用雷射光源。當(dāng)激發(fā)態(tài)電子回到基態(tài)時，會產(chǎn)生一個光子，也可能產(chǎn)生許多的聲子。假設(shè)使用的光源為連續(xù)波，以此激發(fā)的螢光，可當(dāng)作穩(wěn)態(tài)，試片受到光源照射而連續(xù)地發(fā)出螢光［9］，雷射光譜與激發(fā)之螢光光譜如圖 3. 。

　　圖3 雷射與激發(fā)之螢光光譜圖

　　如圖4由Alexander Jablonski所提出的Jablonski energy diagram ［10］中可知，入射光的吸收和入射光子的波長亦即能量有關(guān)，故材料的吸收和入射光源的波長有關(guān)。

　　圖4 Jablonski energy diagram ［10］

　　當(dāng)樣品吸收了入射光后將電子激發(fā)到更高的能態(tài)，經(jīng)過一段時間，電子將釋放能量至較低的能態(tài)。雜質(zhì)與缺陷會在能隙之中形成各種能階，而其對應(yīng)的能量會由輻射復(fù)合過程產(chǎn)生放射如光激發(fā)螢光，或者是經(jīng)由非輻射復(fù)合過程產(chǎn)生吸收［8］［11］，如聲子放射，缺陷捕捉，或歐杰效應(yīng)［12］。

　　除了上述中導(dǎo)電帶與價電帶等能帶轉(zhuǎn)換會發(fā)出螢光，缺陷也會造成螢光的產(chǎn)生，如圖5所示。其中EC、EV和ED分別為導(dǎo)電帶、價電帶與缺陷能帶，其中，缺陷能帶分布在EC與EV之間，位置與數(shù)量視材料品質(zhì)而定，圖 5中（a）為能帶間的電子電洞對復(fù)合，（b）和（c）都屬于缺陷的復(fù)合，（b）為導(dǎo)電帶的電子被能帶間的缺陷捕捉，（c）為缺陷捕獲的電子與價電帶電動復(fù)合，發(fā)出的螢光波段視電子與電洞復(fù)合前能帶的距離而定。

　　圖5 輻射復(fù)合（a）能帶間的電子電洞對復(fù)合（b）若能帶間有缺陷電子會被缺陷捕捉（c）缺陷捕獲的電子與價電帶電動復(fù)合

　　光激發(fā)螢光量測

　　PL光譜儀主要架構(gòu)有激發(fā)源、訊號接收器（spectrometer）、訊號處理器（computer）與低溫系統(tǒng)，架構(gòu)圖如圖6。

　　圖6 PL光譜儀架構(gòu)圖

　　由于藍(lán)光LED能帶約在2.75 eV左右，激發(fā)源選用波長為325 nm（能量為3.8 eV）、375 nm（能量為3.3 eV）與405 nm（能量為3 eV） 大于其能帯之雷射，光譜儀掃描范圍在350 nm到700 nm之間，另外由于溫度對輻射復(fù)合的螢光強度有很大的影響，量測環(huán)境必須做溫度控制。以量測藍(lán)光LED為例，PL螢光光譜圖如圖7，激發(fā)源為波長405 nm雷射，藍(lán)光LED波峰位置在461 nm，半高寬為25.2 nm。

　　圖7 PL螢光光譜圖

　　PL導(dǎo)入LED材料分析的優(yōu)勢

　　因PL快速量測的特性可適應(yīng)LED產(chǎn)線上的生產(chǎn)速度，且以非接觸與非破壞性的量測可確保樣品不會在量測的過程中改變塬本的特性，配合mapping技術(shù)或?qū)⒂嵦柦邮掌鞲臑镃CD，可得到樣品空間分布的特性，得知制程的均勻性以回饋MOCVD的制程，于量測時不需電極可監(jiān)控制成過程中每一個步驟的變化，此為PL量測技術(shù)導(dǎo)入LED Wafer產(chǎn)線的優(yōu)勢。

　　于LED元件設(shè)計及驗證方面，以藍(lán)光LED常用的材料氮化銦鎵為例，由于在晶格常數(shù)與能階寬度圖中，連接氮化鎵與氮化銦兩點的拋物曲線便是氮化銦鎵，隨著氮化銦鎵中的銦含量增加，其能階寬度變小［13，14］，所以可由PL螢光光譜波峰的位置，得知氮化銦鎵中的銦含量，可借由調(diào)變激發(fā)源的雷射強度與量測螢光光譜強度可擬合出LED發(fā)光效率的相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而求出LED的內(nèi)部發(fā)光效率以提供元件設(shè)計之驗證，量測時不需電極，在制程時任一步驟，皆可調(diào)變制程參數(shù)，或選用不同制程方式，比較PL螢光光譜以優(yōu)化出最佳制程條件等優(yōu)勢。

　　結(jié)論

　　PL為一快速、非接觸性、非破壞性之可量測樣品空間分布的量測技術(shù)，無論在產(chǎn)品的量產(chǎn)和開發(fā)上都有很好應(yīng)用。

　　（作者：工研院量測中心/葉佳良）