LED材料特性檢測技術――PL技術

前言

　　近年來，由于白光LED無論在發光效率、功耗、壽命和環保等方面都具備傳統光源無法比擬的優勢，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光磊芯片再加上Nd-YAG螢光體轉換為白光LED［1，2］。（b）用紫光磊芯片加上RGB叁色螢光體轉換為白光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］。目前市面上產品多以藍光磊芯片再加上Nd-YAG螢光體轉換為白光LED為主，所以如何提高藍光磊芯片的發光效率對白光LED的發展而言至關重要。

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

　　半導體LED的發光效率取決于材料本身的特性，當LED注入額外載子后，額外載子的復合分為輻射復合（能帶的額外載子復合后發出光）與非輻射復合（聲子復合放出熱與歐杰復合）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的發光效率，紛紛借由螢光量測技術分析探討其發光機制。

　　螢光發光機制

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

　　圖2 螢光產生過程

　　其中產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螢光（photoluminescence，以下簡稱PL）及電激發螢光，LED的發光塬理便為電激發螢光，然而電激發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螢光做量測。

　　自從雷射可用來提供足夠的功率激發訊號后［8］，入射光便開始使用雷射光源。當激發態電子回到基態時，會產生一個光子，也可能產生許多的聲子。假設使用的光源為連續波，以此激發的螢光，可當作穩態，試片受到光源照射而連續地發出螢光［9］，雷射光譜與激發之螢光光譜如圖 3. 。

　　圖3 雷射與激發之螢光光譜圖

　　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，故材料的吸收和入射光源的波長有關。

　　圖4 Jablonski energy diagram ［10］