由兩種或兩種以上元素以確定的原子配比形成的化合物，并具有確定的禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體性質(zhì)的稱為化合物半導(dǎo)體材料，化合物半導(dǎo)體材料種類繁多，性質(zhì)各異，如Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體及其固溶體材料，Ⅳ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體和氧化物半導(dǎo)體等。

現(xiàn)在半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展迅速，以氮化鎵（以下簡稱GaN）為代表的寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料越來越受到重視。針對GaN的研究與應(yīng)用已經(jīng)是目前半導(dǎo)體研究的前沿和熱點，被譽為是第三代半導(dǎo)體材料。GaN具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好（幾乎不被任何酸腐蝕）等性質(zhì)和強的抗輻照能力，但是晶體自身存在諸多缺陷，影響半導(dǎo)體器件的性能，因此評價GaN晶體質(zhì)量成為重要的議題。

PL傳統(tǒng)評估方法

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

ODPL新評估方法
為了更好地定量評估GaN晶體質(zhì)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(fā)了一套基于積分球的全向光致發(fā)光系統(tǒng)（Omnidirectional Photoluminescence，以下簡稱ODPL）（參考文獻1）。濱松公司一直在開發(fā)，生產(chǎn)和銷售基于發(fā)光材料PL的發(fā)光效率等檢測設(shè)備。

▲圖1 ODPL設(shè)備

實現(xiàn)GaN晶體性能的定量評估

該系統(tǒng)利用積分球?qū)aN晶體全向釋放的PL強度實現(xiàn)了高再現(xiàn)性的測量，并利用獨特的計算方法，由測量結(jié)果算出材料的內(nèi)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(fā)射的重疊區(qū)域，GaN晶體受激發(fā)射后，會在晶體內(nèi)部不斷發(fā)生發(fā)射-吸收-發(fā)射-吸收的光子循環(huán)過程。

▲圖3 晶體內(nèi)部的光子循環(huán)過程

因此在ODPL系統(tǒng)中，除了發(fā)射光譜以外，激發(fā)光源激發(fā)樣品在近帶邊緣（Near-Band-Edge，以下簡稱NBE）得到的光譜呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)緊湊，易于檢測

ODPL系統(tǒng)通過積分球測量和獨自的計算方法得出GaN晶體的IQE，對結(jié)構(gòu)缺陷和雜質(zhì)有無等質(zhì)量問題進行量化來實現(xiàn)準確評估。同時，該系統(tǒng)優(yōu)化各光學(xué)元件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了積分球，光譜儀和光學(xué)系統(tǒng)的緊湊布局，同時新開發(fā)了滑動式樣品支架，使晶體的設(shè)置變得更為簡單，方便測量工作。

主要參數(shù)

通過ODPL系統(tǒng)對GaN晶體性能的定量評價，可以提升GaN產(chǎn)品質(zhì)量的研發(fā)效率。隨著該系統(tǒng)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(dǎo)體材料質(zhì)量評估方法，對ODPL測量法進行行業(yè)標準化。此外，針對將來的批量生產(chǎn)線上進行有效的質(zhì)量檢查，濱松公司正在開發(fā)適用于大尺寸GaN晶圓的測量設(shè)備。

參考文獻

文獻1 

Journal of Applied Physics 120, 015704 (2016)

文獻2

 Appl. Phys. Lett. 111, 032111 (2017)