氮化物LED外延片内量子效率测试方法

氮化物LED外延片内量子效率测试方法

国家标准 GB/T30655一2014 氮化物LED外延片内量子效率测试方法 IestmethodsforinternalquamtumeftieieneyfnitrideLEDeptasiallayers 2014-12-31发布 2015-09-01实施 国家质量监督检验检疫总局 发布 国家标准化管理委员会国家标准
GB/T30655一2014 前 言 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草 请注意本文件的某些内容可能涉及专利 本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任 本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会(SAC'/TC203)和全国半导体设备和材料标准 化技术委员会材料分会(SAC/TC203/SC2)共同提出并归口 本标准起草单位:科学院半导体研究所 本标准主要起草人:魏学成、赵丽霞、王军喜、曾一平、李晋闽
GB/T30655一2014 氨化物LED外延片内量子效率测试方法 范围 本标准规定了I-V族氮化物LED外延片内量子效率的测试方法 本标准适用于基于皿-V族氮化物的量子阱LED内量子效率的测试 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的 凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文 件 凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 (GB/T6379测量方法与结果的准确度(正确度与精密度) 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件 3.1 辐射复合radiativerecombinatiom 电子从高能态到低能态的跃迁过程中,电子和空穴复合时会释放一定的能量,如果能量以光子的形 式释放,这种复合称为辐射复合 3.2 非辐射复合nomradiativereeombination 电子从高能态到低能态的跃迁过程中,电子和空穴复合时会释放一定的能量,以除光子辐射之外的 其他方式释放能量的复合称为非辐射复合 3.3 光提取效率e%tractionefficiency 二极管单位时间内发出的光子数与有源区内辐射复合产生的光子数之间的比值 发光 3.4 externalquantumefrieieney 外量子效率 单位时间内注人的载流子数对外发出的光子数与注人载流子数之间的比值 3.5 quatunefieteney 内量子效率intermal 在 -定的注人条件下,单位时间内辐射复合产生的光子数与单位时间内注人的复合载流子总数之 间的比值 3.6 注入效率mjeti.effieteney 在一定注人条件下单位时间内注人有源区中产生复合的载流子数与注人载流子总数之间的比值 激子exeiton 由库仑相互作用束缚在一起的电子空穴对
GB/T30655一2014 3.8 电致发光 electroluminescence 材料通过电注人产生发光的一种物理现象 3.9 光致发光photoluminescene 材料通过光激励产生发光的一种物理现象 符号 下列符号适用于本文件 N;载流子浓度 EL;电致发光 PL:光致发光 I.:PL积分强度 P;激光器功率 poE;外量子效率 poE;内量子效率 p;光提取效率 )wrtim;注人效率 )e;辐射复合效率 )mmdAiw;非辐射复合效率 方法原理 5.1氮化物LED外延片内量子效率的测试方法目前有三种 a)测试方法一;利用低温,室温光致发光光谱积分强度比测试内量子效率; b测试方法二:利用同温变激发密度光致发光光谱积分强度测试内量子效率; 测试方法三;利用出光模型从外量子效率倒推内量子效率 c 5.2利用低温、室温光致发光光谱积分强度比测量内量子效率:因为非辐射复合在低温下会被冻结,假 定低温下20K以下)非辐射复合被完全冻结,辐射复合效率为100%;并且忽略光吸收系数、注人效率 和提取效率随温度的变化,所以根据量子阱载流子速率方程和辐射复合效率方程,分别见式(1)和式 (2),利用室温下的PL积分强度和低温下的PL积分强度之间的比值可以测试内量子效率,见式(3) 中 中，+，+，+ R=AN十BN'十CN十/(N) 式中: 载流子速率; N 载流子浓度; 非辐射复合系数; A 辐射复合系数 俄歇复合系数 f(N 高阶系数 在本方法中(N)可以忽略,而c的数量级为10-”,数值较小,同样可以忽略 BN 2 radiatis AN十BN
GB/T30655一2014 RT diati0 I 7QE mLTT ”mmditive十)mdiie 式中: RT 室温; LT 低温 测试方法采用变温光致发光光谱系统,如图1所示,其中包括激光器单色仪、探测器、冷台,致冷机 以及数据采集系统等 首先通过激光激发样品后,产生的荧光用单色仪分光,然后用探测器收集信号， 通过数据采集系统获得PL光谱,然后对室温和低温下20K以下)的PL光谱采用专用软件计算积分 强度,计算其比值得出所测样品的内量子效率 致冷机 致冷机 -罚 头 温控仪 g口 LE样品 反射镜 激光器 透镜 探渊器 单色仪 图1PL测试系统示意图 5.3利用同温变激发密度光致发光光谱积分强度测试内量子效率;采用速率方程[式(1)]拟合PL发 光强度随激发功率的变化曲线,由此获得A、B.c参数和内量子效率随载流子浓度的变化关系[忽略 f(N] 光注人下载流子产生速率按式(4)计算 尸(1一R)[l一exp(一ad1 P.,(1一R)a G A加 Ath”d 式中: G 载流子产生速率; R 菲涅尔反射系数; 吸收系数; 激光光斑面积; Ao 多量子阱厚度; 激发光光子能量 hy I 由GoP,设I=n.BN',) 为PL收集系数,N一 7B
GB/T30655一2014 稳态下 -)",-r 利用式(1,式(4)推出式(5)并拟合G随I的变化曲线,可获得).,进而得到poe n.G 测试装置与变温测试系统一致,但可以省略温控装置,直接在室温下进行 5.4利用出光模型从外量子效率倒推内量子效率;首先利用积分球直接测量光功率,并通过式(6)计算 得出外量子效率 而外量子效率由内量子效率和提取效率组成,进而推导出内量子效率,如式(7)所示 因此通过光学软件模拟出光提取效率,即可得到内量子效率 由于LED外延材料结构、芯片结构和封 装结构难以取得一致,此方法可以作为其他两种方法的验证,但不推荐作为标准推广 P(a)/hu(a)d 7QE: I7e 式中: 光功率 电流; 电荷; 波长 eo8 7o 7extraction 6 仪器 6.1氮化物LED外延片内量子效率测试仪器为荧光光谱仪,测试系统需包括光源、聚焦透镜、致冷机、 冷头、低温样品架、单色仪、探测器、数据采集处理系统等 6.2光源采用单模激光器(其光子能量需大于有源区带隙),例如蓝光LED可以采用405nm激光器 透镜采用平凸透镜,致冷机采用液氮致冷机,数据采集处理系统由计算机和专用数据处理程序软件 组成 6.3由于内量子效率与注人的载流子密度相关,计算内量子效率时需要给出激发波长、激发密度 测试环境 除另有规定外,应在下列条件下进行测试 a)环境温度;23士5C; b)相对湿度:<90%; 大气压:86kPa一106kPa. c 测试环境应无影响测试准确度的机械振动,电磁,光照和化学腐蚀等干扰 d 试样 测试样片应为抛光晶片,晶片表面洁净
GB/T30655一2014 测试程序 9.1 测试准备 测试前,检查并确定测试系统各仪器处于良好状态 9.2测试步骤 利用低温,室温光致发光光谱积分强度比测试内量子效率的步骤如下 9.2. 打开激光器,检查是否工作正常; a b)依次打开单色仪、探测器电源开关,检查是否工作正常; c)通过标准光源校准单色仪; 在样品架上装好样品,然后安装真空防护罩,抽真空,开循环冷却水和压缩机,待温度降到 D 20K以下,并在该温度稳定30min后,开始测量， 利用数据采集系统通过专用软件测量低温光致发光光谱 e 然后通过电阻加热升温到室温(295K)并稳定30nmin后,继续利用数据采集系统通过专用软 件测量室温光致发光光谱 g测试完全结束后关闭所有仪器电源; h)通过软件计算内量子效率 9.2.2利用同温变激发密度光致发光光谱积分强度测试内量子效率的步骤如下 打开激光器,检查是否工作正常; a 依次打开单色仪、探测器电源开关,检查是否工作正常; b 通过标准光源校准单色仪;如果采用室温测试直接进行步骤e),如果采用高低温测试则继续 步骤d); 在样品架上装好样品,然后安装真空防护罩,抽真空,开循环冷却水和压缩机,待温度达到设定 d 温度,并在该温度稳定30min后,开始测量; 通过在激光光路上插人不同衰减倍数的衰减片改变激光激发密度,继而利用数据采集系统通 过专用软件分别测量不同激光激发密度下的光致发光光谱 然后通过电阻加热或者致冷机降温恢复到室温295K),并稳定30nmin后,关闭所有仪器 电源 通过软件计算内量子效率 9.2.3利用出光模型从外量子效率倒推内量子效率的步骤如下 依次打开电源、探测器电源开关,检查是否工作正常; b通过标准光源校准积分球; 在样品架上装好样品,对LED接通电源,开始测量LED的光功率,并通过除以输人电功率(电 流和电压的乘积)计算得出外量子效率 d通过专用软件模拟ILED的光提取效率,这一步骤需要根据LED结构进行模型优化 e)测试完全结束后关闭所有仪器电源; f 通过软件计算内量子效率 10 测试结果的计算与表述 10.1利用低温室温光致发光光谱积分强度比测量内量子效率 采用测试方法一,利用图1装置,激光器为405nm激光器,激光功率为50mw,通过致冷机使样品
GB/T30655一2014 温度降到10K,测试其PL谱,然后通过加热器,使样品温度升高到室温295K,继续测试PL谱,然后分 别计算两个PL谱的积分强度,通过室温PL和低温PL的比值计算LED(外延片)的内量子效率 举例:通过专用软件绘出PL谱,如图2所示,拟合得出室温和低温下的PL积分强度,计算内量子 效率为79.5% RT) Iw 79.5% 7oE mLT 60000 10K 50000 40000- 295K 30000 20000- 10000 420 440 460 480 500 520 540 被长/nm 图2PL谱测试结果 10.2利用同温变激发密度光致发光光谱积分强度测量内量子效率 室温下,采用测试方法二,利用图1装置,激光器为405nm激光器,激光功率为50mw,激光光斑 为100m,通过连续衰减片,使激光功率分别为10%、15%、20%.35%,50%、70%、100%,测量其PL 谱,并计算其PL谱的积分强度,然后通过式(4)得出光请强度的变化规律,通过专用教软件拟合计算LED 的内量子效率变化曲线如图3所示 l巴 举例;通过专用软件拟合得出" =81.2% oE 7.G 80 60 40- 20 60 80 00 20 40 功率比/% 图3软件拟合结果 10.3利用出光模型从外量子效率倒推内量子效率 采用测试方法三,首先根据LED的结构,模拟LED的提取效率,然后将LED外延片加工成芯片 通过电功率测得其外量子效率,然后通过计算即可得出LED的内量子效率 举例:室温下,通过测量其蓝光功率为42.5mW,工作电流350mA,其峰值波长为455 ,得出其 nm，
GB/T30655一2014 外量子效率3.90%;通过专用软件对外延片和封装结构进行模拟,其提取效率为4.86%,通过计算得出 内量子效率为80.2% P(入/hv(入)d入 =3.90% 7QE Ie" 7EoE: =80.2% QE 7extrctionm 11 精密度 试验样品选用常规LED外延片,要求样品厚度偏差<3 3Am,组分均匀性达到95%以上,从外延片 中心处选取一个样品 单个实验室的内量子效率测量重复性为3%以内(依据GB/T6379计算. 多个实验室的测量精度实验选取3个实验室,每个实验室采用同一方法测试一次 同一方法内量 子效率测量再现性在3%以内依据GB/T6379计算) 多个实验室采用设备配置不一样,所需参数基本一致 12 质量保证和控制 应用参考样片,在每次测试前校核本方法的有效性,当过程失控时,应找出原因,纠正错误后,重新 进行校核 测试报告 13 测试报告应包括如下内容 a)样品来源、规格及编号; b) 本标准编号 选用的测试方法 所用测量系统编号及测试参数; D 测试单位及测试操作人印章或签字 考样品PL谱图及内量子效率计算值; 参 g)被测样品PL谱图及内量子效率计算值 h测试日期 测试中观察到的异常现象 i

氮化物LED外延片内量子效率测试方法GB/T30655-2014

氮化物LED是一种新型的高亮度发光二极管，其在照明、显示等领域具有广泛的应用前景。而对于氮化物LED外延片的量子效率测试，则是评估LED性能的重要指标之一。

根据国家标准GB/T30655-2014《氮化物LED外延片内量子效率测试方法》规定，氮化物LED外延片内量子效率测试主要包括以下步骤：

1. 样品制备

首先需要制备好待测样品。样品应该制备成大面积的薄膜，并且需要采用合适的生长工艺确保外延片的质量。

2. 测量系统搭建

搭建一个稳定可靠的测试系统是必须的。测试系统主要由一个光源、一个光谱仪以及一个待测样品组成。其中，光源需要具备高亮度、高稳定性和可调节波长范围的特点；光谱仪需要具备高分辨率和高灵敏度的特点。

3. 光电特性测试

在搭建好测试系统后，需要对待测样品进行光电特性测试。测试时需要保证光源的强度、波长和极化方向等参数的一致性。同时需要记录下样品的光电特性数据，如光电流、光谱分布等。

4. 量子效率计算

通过上述测试得到的数据，可以计算出样品的量子效率。量子效率是指一个发光材料中每个注入电子所产生的光子数。计算公式为：

Φ = (N_p/q)/(I_e/hν)

其中，Φ代表量子效率，N_p代表激子数密度，q代表电子电荷量，I_e代表外施电流密度，hν代表光子能量。

通过以上步骤，即可完成氮化物LED外延片内量子效率的测试。

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