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
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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
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:
ηext为光提取效率,nout为出射的光子数,nemit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
其中,ηEQE为外量子效率,ηIQE为内量子效率,ηext为光提取效率,其中
其中POUT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***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。
ηext为光提取效率,nout为出射的光子数,nemit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***包括积分球、电源、光色热测试***: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***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***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。
其中,ηEQE为外量子效率,POUT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。
其中,ηEQE为外量子效率,ηIQE为内量子效率,ηext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。
ηext为提取效率,nout为出射的光子数,nemit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***,包括积分球,电源,光色热测试***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***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。
其中,ηEQE为外量子效率,POUT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。
其中,ηEQE为外量子效率,ηIQE为内量子效率,ηext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:
ηext为光提取效率,nout为出射的光子数,nemit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
其中,ηEQE为外量子效率,ηIQE为内量子效率,ηext为光提取效率,其中
其中POUT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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