新方法】基于ODPL的化合物半导体材料GaN晶体质量评价

由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质的称为化合物半导体材料，化合物半导体材料种类繁多，性质各异，如Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体及其固溶体材料，Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体和氧化物半导体等。

现在半导体行业发展迅速，以氮化镓（以下简称GaN）为代表的宽禁带化合物半导体材料越来越受到重视。针对GaN的研究与应用已经是目前半导体研究的前沿和热点，被誉为是第三代半导体材料。GaN具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，但是晶体自身存在诸多缺陷，影响半导体器件的性能，因此评价GaN晶体质量成为重要的议题。

PL传统评估方法

评价GaN晶体质量的方法之一是传统的光致发光（Photoluminescence，以下简称PL），PL法虽可以实现无接触、无损以及高速的质量评估，但探测器的位置、角度以及给与晶体的激发光等因素都有可能影响测量结果，存在重复性低和定量性低的问题。而GaN晶体的PLQE（光致发光量子效率）由于其吸收带和发射带有重叠的区域，因此更加无法准确评估GaN晶体的质量。

ODPL新评估方法
为了更好地定量评估GaN晶体质量，滨松公司和日本Tohoku University的Kazunobu Kojima教授以及Shigefusa Chichibu教授从2016年开始合作研发了一套基于积分球的全向光致发光系统（Omnidirectional Photoluminescence，以下简称ODPL）（参考文献1）。滨松公司一直在开发，生产和销售基于发光材料PL的发光效率等检测设备。

▲图1 ODPL设备

实现GaN晶体性能的定量评估

该系统利用积分球对GaN晶体全向释放的PL强度实现了高再现性的测量，并利用独特的计算方法，由测量结果算出材料的内部量子效率（Internal Quantum Efficiency，以下简称IQE）。随后，我们以GaN晶体的IQE为指标，确立了可对晶体性能进行定量评估的ODPL测量法。

▲图2 基于积分球的测量原理示意图

由于吸收和发射的重叠区域，GaN晶体受激发射后，会在晶体内部不断发生发射-吸收-发射-吸收的光子循环过程。

▲图3 晶体内部的光子循环过程

因此在ODPL系统中，除了发射光谱以外，激发光源激发样品在近带边缘（Near-Band-Edge，以下简称NBE）得到的光谱呈现双峰的形式，通过理论计算得到晶体的IQE值。

▲图4 HVPE/AT-GaN 的代表性 ODPL 光谱（参考文献2）

结构紧凑，易于检测

ODPL系统通过积分球测量和独自的计算方法得出GaN晶体的IQE，对结构缺陷和杂质有无等质量问题进行量化来实现准确评估。同时，该系统优化各光学元件结构，实现了积分球，光谱仪和光学系统的紧凑布局，同时新开发了滑动式样品支架，使晶体的设置变得更为简单，方便测量工作。

主要参数

通过ODPL系统对GaN晶体性能的定量评价，可以提升GaN产品质量的研发效率。随着该系统的销售，滨松公司将进一步推动以GaN晶体为代表的化合物半导体材料质量评估方法，对ODPL测量法进行行业标准化。此外，针对将来的批量生产线上进行有效的质量检查，滨松公司正在开发适用于大尺寸GaN晶圆的测量设备。

参考文献

文献1 

Journal of Applied Physics 120, 015704 (2016)

文献2

 Appl. Phys. Lett. 111, 032111 (2017)