PL傳統評估方法

評價GaN晶體質量的方法之一是傳統的光致發光（Photoluminescence，以下簡稱PL），PL法雖可以實現無接觸、無損以及高速的質量評估，但探測器的位置、角度以及給與晶體的激發光等因素都有可能影響測量結果，存在重復性低和定量性低的問題。而GaN晶體的PLQE（光致發光量子效率）由于其吸收帶和發射帶有重疊的區域，因此更加無法準確評估GaN晶體的質量。

ODPL新評估方法
為了更好地定量評估GaN晶體質量，濱松公司和日本Tohoku University的Kazunobu Kojima教授以及Shigefusa Chichibu教授從2016年開始合作研發了一套基于積分球的全向光致發光系統（Omnidirectional Photoluminescence，以下簡稱ODPL）（參考文獻1）。濱松公司一直在開發，生產和銷售基于發光材料PL的發光效率等檢測設備。

▲圖1 ODPL設備

實現GaN晶體性能的定量評估

該系統利用積分球對GaN晶體全向釋放的PL強度實現了高再現性的測量，并利用獨特的計算方法，由測量結果算出材料的內部量子效率（Internal Quantum Efficiency，以下簡稱IQE）。隨后，我們以GaN晶體的IQE為指標，確立了可對晶體性能進行定量評估的ODPL測量法。

▲圖2 基于積分球的測量原理示意圖

由于吸收和發射的重疊區域，GaN晶體受激發射后，會在晶體內部不斷發生發射-吸收-發射-吸收的光子循環過程。

▲圖3 晶體內部的光子循環過程

因此在ODPL系統中，除了發射光譜以外，激發光源激發樣品在近帶邊緣（Near-Band-Edge，以下簡稱NBE）得到的光譜呈現雙峰的形式，通過理論計算得到晶體的IQE值。

▲圖4 HVPE/AT-GaN 的代表性 ODPL 光譜（參考文獻2）

結構緊湊，易于檢測

ODPL系統通過積分球測量和獨自的計算方法得出GaN晶體的IQE，對結構缺陷和雜質有無等質量問題進行量化來實現準確評估。同時，該系統優化各光學元件結構，實現了積分球，光譜儀和光學系統的緊湊布局，同時新開發了滑動式樣品支架，使晶體的設置變得更為簡單，方便測量工作。

主要參數

通過ODPL系統對GaN晶體性能的定量評價，可以提升GaN產品質量的研發效率。隨著該系統的銷售，濱松公司將進一步推動以GaN晶體為代表的化合物半導體材料質量評估方法，對ODPL測量法進行行業標準化。此外，針對將來的批量生產線上進行有效的質量檢查，濱松公司正在開發適用于大尺寸GaN晶圓的測量設備。

參考文獻

文獻1 

Journal of Applied Physics 120, 015704 (2016)

文獻2

 Appl. Phys. Lett. 111, 032111 (2017)