時間解析光致電流應用在InGaN 發光二極體
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(2) 中文摘要. 時間解析技術已應用在發光二極體的研究。發光二極體並非高速 元件，故我們透過電光調變器以改變雷射頻率以完成實驗。這技術在 極短的時間擁有極高的空間解析度。使用鈦:藍寶石鎖模脈衝雷射、 高頻相位靈敏鎖向迴路與雷射共焦掃描顯微鏡以取得發光二極體之 時間解析動態特性。雷射用於激發在空乏區的載子以獲得相對的掃描 影像訊號。我們可透過光致電流影像觀察發光二極體的光致電流效應 及測量其反應時間。. I.
(3) Abstract. We have implemented the time-resolved technique at frequency domain on a laser scanning microscope to investigate light emitting diodes. Leds are not high-speed device, so we use e-o modulator to change its frequency of Laser and finish the experiment. In this way, temporal response of a device can be mapped at high spatial resolution. We are using a Ti : sapphire laser and a high frequency phase sensitive lock-in loop to achieve time-resolved the dynamics properties of the light emitting devices.Laser used to excite carriers in the depletion region detected form the contract signal for scanning imaging. We can observe the OBIC effect and measure the response time of light emitting devices.. II.
(4) 致謝詞. 首先我要感謝的就是我的家人在我求學階段對我的付出，以及指 導教授高甫仁博士，他對於我實驗上的建議以及惇惇教誨，讓我感念 在心，由於教授細心的教導我使得我能順利完成碩士論文。 其次要感謝的是陽明大學同實驗室的同學源成以及俊熿對我在 實驗上的幫助。實驗室裡朝夕相處兩年的同學金樹和股海冥燈的學長 宏嘉、立偉及佳謙，使我在求學上有互相切磋琢磨的夥伴以及嘻哈談 笑的對象。 學長泰成在技術轉移時的用心讓我謹記在心。學弟王瑋，有了他 在中山幫我們處理學業上得大小事，使得我不需為此而煩心。最後感 謝我的股東阿媽，讓我不需要為了學費而煩惱順利完成學業。. 再見了～中山. III.
(5) 內容目錄 頁次 中文摘要. I. 英文摘要. II. 致謝詞. III. 目錄. IV. 圖目錄. VI. 第一章 簡介. 01. 1.1 研究動機. 01. 1.2 實驗導論. 01. 第二章 實驗架設. 03. 2.1 電激發光實驗架設. 03. 2.2 光致螢光實驗架設. 04. 2.3 光致電流實驗架設. 05. 第三章 實驗結果. 07. 3.1 樣品介紹. 07. 3.2 發光二極體材料. 09. 3.3 電激發光影像. 10. 3.4 光致螢光影像. 11. 3.5 直流光致電流影像. 12. 3.6 時間解析光致電流影像. 13. 第一部份： （改變偏壓）. 13. 第二部份： （使用電光調變器改變頻率）. 21. IV.
(6) 第四章 結論. 27. 4.1 結論. 27. 4.2 未來展望. 28. 附錄 A 實驗原理. 29. A-1 發光二極體-電激發光原理. 29. A-2 發光二極體-光致螢光原理. 30. A-3 雙光子激發原理. 31. A-4 發光二極體-光致電流原理. 33. A-5 DC OBIC, AC OBIC & Time-resolved OBIC. 34. 附錄 B 實驗儀器. 35. B-1 雷射光源. 35. B-2 共焦顯微掃描系統. 36. B-3 低噪音電流前置放大器. 36. B-4 鎖向放大器. 37. B-5 電光調變器. 38. 附錄 C Matlab 程式. 41. V.
(7) 圖目錄. 圖 2-1 電激發光實驗架構圖. 03. 圖 2-2 光致螢光實驗架構圖. 04. 圖 2-3. DC OBIC 實驗架構圖. 05. 圖 2-4. AC OBIC 實驗架構圖. 06. 圖 3-1. LED 磊晶數位攝影圖. 07. 圖 3-2. LED 俯視圖. 08. 圖 3-3. LED 磊晶結構. 08. 圖 3-4 半導體材料. 09. 圖 3-5 電激發光影像操作在 1.0 ~ 2.7 伏特. 10. 圖 3-6 光致螢光影像. 11. 圖 3-7. 12. DC OBIC 影像. 圖 3-8 改變外加偏壓大小，0.1V 為一區間紀錄其振幅和相位的變化. 15. 圖 3-9 隨偏壓上升之相位作圖. 18. 圖 3-10 隨偏壓上升之振幅作圖. 19. 圖 3-11 改變頻率大小，20K Hz 為一區間紀錄其振幅和相位的變化. 21. 圖 3-12 隨頻率上升 Channel 1 之輸出值. 24. 圖 3-13 隨頻率上升 Channel 2 之輸出值. 25. 圖 3-14 頻率對振幅和相位作圖. 26. 圖 4-1(a)經 ESD 破壞之 PL 影像. 28. 圖 4-1(b)經 ESD 破壞之 OBIC 影像. 28. 圖 A-1 電激發光原理. 29. 圖 A-2 光致螢光原理. 30. 圖 A-3 脈衝雷射. 31. 圖 A -4 單光子與雙光子之躍遷圖. 31. 圖 A-5 單光子與雙光子之激發示意圖. 32. VI.
(8) 圖 A-6 光致電流原理. 33. 圖 B-1 雷射光源示意圖. 35. 圖 B-2 共焦掃描系統 Scanning Unit. 36. 圖 B-3 低噪音電流前置放大器. 37. 圖 B-4 鎖向放大器. 37. 圖 B-5 電光調變器. 38. 圖 B-6 電光晶體振幅調變之架構. 39. 圖 C-1 程式操作介面. 41. VII.
(9) 第一章 簡介 1-1 研究動機 伴隨著發光二極體(Light Emitting Diode, LED)的誕生，測量的角 色也隨之越來越重要以便我們來改進製程的可靠度及良率，傳統上激 發半導體元件，都是利用脈衝電子束進行激發，往往會對元件產生傷 害，脈衝雷射問世後，相關的激發工作都由雷射光進行，其非侵入式 (Non-invasive)的測量能使樣品的傷害達到最小。此實驗我們使用共 焦顯微檢測技術來對 LED 進行一系列的測量，以雷射光為光源，相 較於一般傳統的光學顯微鏡其具有更高的解晰度與對比度，並且有良 好的空間解析度，雙光子雷射激發只聚焦在焦平面影像解析度較高。 我們藉由所得到的影像可以觀測 LED 表面的電流特性，以及由樣品 各點的相位變化進而得到 LED 的反應時間，讓我們能更清楚該 LED 時間解析的特性，有別於飛行時間法(Time of fly, TOF)和霍爾效應 (Hall effect)，時間解析光致電流(Time-resolved OBIC)可測量有機及無 機發光二極體的時間特性。接下來的章節中，我們會依序地介紹共焦 顯微術的實驗原理以及架構，接著會就實驗的結果來做詳盡的討論與 分析。. 1-2 實驗導論 LED 是近年最有潛力的產業之一，期待 LED 能夠打進照明市場， 成為新的照明光源，這會是最有希望的潛在市場。LED 與傳統燈泡 相較主要優點為:體積小、反應快、壽命長、可全彩發光、低電壓、 節省電源、量產容易、環保等。但是，同樣的也有許多問題需要我們 逐步去解決:低效率、散熱困難和色度均勻性差等不足。對台灣的產 商而言，由於我們跨入的時間較晚已有許多專利已被他國申請，使得 我們若要提高產品毛利有很大的阻礙。目前主要的應用在於交通號誌 1.
(10) 燈號、車燈以及背光模組，目前已有中小尺寸液晶螢幕使用 LED 為 背光源，亦是另一備受矚目的應用市場，近年來許多筆記型電腦公司 開始相繼推出以 LED 為背光源的筆記型電腦來增加 NB 電池的續航 力。另外，雖然目前 LED 亮度仍遠低於其他已成熟的光源技術，不 過亮度確實已達汽機車照明的需求。一般照明將是 LED 最大的應用 市場，許多產業分析師都將 LED 視為下一代的照明光源，作為能源 危機下的重要科技。. 2.
(11) 第二章 實驗架設. 2-1 電激發光實驗架設 電激發光(Electroluminescence, EL)[1]-[3]的實驗架構圖如圖 2-1，使 用外加電源來驅動 LED，LED 受外部訊號驅動而發光，光由反射鏡 導入掃描單元(Scanning Unit)中，再透過外部 PMT 來接受光訊號轉換 成電訊號，之後由前置放大器放大電訊號並傳送到電腦成像，其原理 參照附錄 A-1。. 圖 2-1 電激發光實驗架構圖. 3.
(12) 2-2 光致螢光架設 光致螢光(Photoluminescence, PL)[2][4]的實驗架構圖如圖 2-2，脈衝 雷射導入 X-Y Galvano Mirror 以掃瞄樣品的位置，接著由反射鏡透過 物鏡照射在 LED 上，產生的反射光依原光路返回 Scanning Unit，光 經由雙色鏡到 Pinhole 被 PMT 接收，其中，大部份的反射光影像被 NIR 濾光片濾掉，未被濾除為光致螢光，我們經由 PMT 將光訊號轉 換成電訊號，我們即可得到光致螢光影像，其原理參照附錄 A-2。. 圖 2-2 光致螢光實驗架構圖. 4.
(13) 2-3 光致電流實驗架構 (1) 直流光致電流 我們將脈衝雷射導入 Scanning Unit，接著由反射鏡透過物鏡照射 在 LED 上，產生的光致電流影像我們使用前置放大器將其放大，之 後經電訊號接至電腦，如圖 2-3 所示。由於 LED 的反應速度較慢， 外加訊號產生器對 LED 作慢速掃描，以便得到更清晰之直流光致電 流(Direct Current Optical Beam Induced Current, DC OBIC)[4]-[10]影像， 其原理參照附錄 A-4。. 圖 2-3 DC OBIC 實驗架構圖. 5.
(14) (2) 交流光致電流 雷射頻率為 76MHz 對 LED 來說掃描速度太快，於是我們將脈衝 雷射視為連續波雷射(CW laser)，並在光路中加上電光調變器 (Electro-optic modulator)配合訊號產生器，將雷射光調變成重複頻率 (Repetitive frequency)為 500K Hz 的脈衝雷射，並將此頻率接至鎖向放 大器作為參考頻率，雷射光在 LED 掃瞄，我們得到頻率和調變頻率 相同的電流訊號將訊號，接至鎖向放大器輸入，之後我們輸出相差相 差 90 度的 XY 輸出至電腦，我們即可得到交流光致電流(Alternating Current Optical Beam Induced Current, AC OBIC)[11][12]影像，其原理參 照附錄 A-4。. 圖 2-4 AC OBIC 實驗架構圖. 6.
(15) 第三章 實驗結果. 3.1 樣品介紹: 本實驗的樣品是由晶元光電有限公司提供的 InGaN 綠光 LED [13][14]. ，圖 3-1。圖中藍色區域為 InGaN 的發光區，而晶粒中金色部分. 為 LED 的金屬電極，此 LED 發光層為 45mil x 45mil，未經過封裝。. 圖 3-1 LED 磊晶數位攝影圖. 我們將晶粒透過銀膠固定在配線架上，使用烤箱加溫使其凝固， 最後將金線分別打在 P、N Pad 上，以上感謝工研院的幫忙。圖 3-2 為 LED 的俯視圖，圖 3-3 為 LED 的樣品結構圖，InGaN epi-layer 為 LED 的作用區，石英基板(Al2O3 substrate )為透明材質輻射光能穿透 且石英的材質耐高溫，比起藍寶石基板較能承受高溫，施以順相偏壓 時，外加偏壓越大所釋放的光強度越高，但溫度也隨著更高，所以耐 高溫的基板是必要的，下方的金屬板反射光線以達到更高的發光效 率。. 7.
(16) 圖 3-2 LED 俯視圖. 圖 3-3 LED 樣品結構圖. 8.
(17) 3.2 發光二極體材料: 發光二極體為一個 PN 接面二極體，當傳導帶(conduction band) 的電子躍遷至價電帶(valence)會放出光子(photon)。 圖 3-4(a)為 直遷半導體(direct semiconductor)，價電帶最大值和導電帶最小值 發生在同一晶體動量處，電子從價電帶躍遷到導電帶可不需改變晶體 動能而得到。 矽為非直遷半導體(indirect semiconductor)，如圖 3-4(b)，在躍遷過程必須改變晶體動能。 直遷與非直遷半導體能帶 結構對於發光二極體及半導體雷射是非常重要的，一般需要直遷半導 體才能有效的產生光子[15][16]。. (a). (b) 圖 3-4 半導體材料 (a)直遷半導體 (b)非直遷半導體. 9.
(18) 3-3 電激發光影像 圖組 3-5 為順向偏壓操作在 1.0 ~ 2.7V 之電激發光訊號的強度變 化圖，我們可由圖觀察，隨著順向偏壓的增加，發光二極體的亮度隨 之增強。此 LED 的導通電壓約在 1.3V，外加偏壓在導通電壓之上便 可獲得電激發光影像。. 1.0 V. 1.1 V. 1.2 V. 1.3 V. 1.4 V. 1.5 V. 1.6 V. 1.7 V. 1.8 V. 1.9 V. 2.0 V. 2.1 V. 2.2 V. 2.3 V. 2.4 V. 2.5 V. 2.6 V. 2.7 V. 圖組 3-5 電激發光影像操作在 1.0 ~ 2.7 伏特. 10.
(19) 3-4 光致螢光影像 圖 3-6 為此 InGaN LED 的 PL 影像，我們利用 Ti:sapphire 雷射透 過 Scan Unit 激發掃描 LED，產生的光致螢光影像，圖形的顏色是經 由 Olympus Fluoview 軟體依所輸出的交流電訊號的強弱來配色。我 們可以藉此觀察出 LED 的半導體缺陷，同時也可得知半導體在何處 的光致螢光反應較佳何處較弱。. 圖 3-6 光致螢光影像. 11.
(20) 3-5 DC OBIC 影像 在圖 3-7，我們可以清楚的看見 DC OBIC 影像，發光區域(作用區) 即為 LED 產生的光制電流訊號，而與發光區域交錯的未發光區域即 為 LED 的金屬電極。圖形的顏色是由 Olympus Fluoview 軟體依所輸 出的電流訊號的強弱配色。由此圖可觀測作用區各位置 OBIC 訊號， 金屬電極區無 OBIC 訊號。. 圖 3-7 DC OBIC 影像. 12.
(21) 3-6 時間解析光致電流影像 我們使用 Ti:Sapphire 雷射無法得到頻率與雷射光重複頻率相同的 電流訊號，故我們將雷射光頻率透過電光調變器調變較慢頻率的雷 射，便可得到我們所要到 OBIC 訊號，我們分別依照下列步驟量測此 樣品並加以討論。. 第一部份: (改變偏壓) (1) 改變 LED 外加偏壓的大小，並觀察其對光致電流的影響。 (2) 由掃描的圖形，再利用 Matlab 軟體計算出不同偏壓下的相位延 遲。. 實驗結果如下： (1) 改變 LED 外加偏壓的大小 由圖組 3-8 可看出在不同偏壓下的時間解析光致電流(TimeResolved OBIC)影像的圖，綠色及紅色圖形分別為鎖相放大器的 channel 1 輸出和 channel 2 輸出，輸出值分為 R cosθ及 R sinθ，其 中 R 是光致電流訊號的振幅也就是訊號的強度，θ為相位，圖形的 顏色是經由 Olympus Fluoview 軟體依所輸出的交流電訊號的強弱來 配色，此處我分別就 R 振幅和θ相位作解說。 在 R 振幅的部份，因外加逆向偏壓使得二極體之電子-電洞對將 更不容易復合，所以 R 振幅在圖形上得分佈也會增強，藉此我們可 以偵測到更微弱的光致電流訊號。 在θ相位的部份，它代表在 LED 上從光載子產生的地方漂移到 訊號接收端所延遲的相位，在電極附近產生的載子漂移到電極的時間 很短，所以幾乎沒有相位延遲，θ會很小；反之，遠離電極的區域因 載子所漂移的距離很長，所花的時間較多，故相位θ延遲會很大。 觀察圖組 3-8，LED 作用區相位和電極距離增加並沒有明顯的變化， 這是因為電極間距很近 LED 反應速度過快，固作用區相位無明顯變 13.
(22) 化。施以逆向偏壓於 LED 我們分析獲得外加偏壓對相位作圖，圖 3-9。 由圖發現外加逆向偏壓不足以影響 LED 的相位變化。振幅隨偏壓上 升而上升至 1.6V 便飽和，在 1.6V 時二極體被空乏區佔滿，幾乎無中 性區，即使在提高逆向偏壓 LED 振幅也無變化，圖 3-10。 (2) 相位延遲的計算 我們欲觀察ＬＥＤ上相位延遲(Phase delay)的值，數學上的運算是 必要的，鎖相放大器 channel 1 輸出值為 R cos θ ，而 channel 2 為. R sin θ，以電腦軟體如 Matlab 做數學運算將 channel 2 除以 channel 1： channel 2 R sin θ = = tan θ channel1 R cosθ 再將其取反正切：. θ = tan −1(. channel 2 ) channel1. 即可得相位 θ 的分佈圖，圖組 4-5 中最右方的圖形即為在不同偏壓下. θ 的分佈圖，相關程式語法，經過中山大學資工所-柯正雯老師及陽明 大學生醫光電所陳俊熿同學指導及幫忙，才能順利寫出，我將程式語 法收於附錄。. 14.
(23) 0.0V. 0.1v. 0.2V. 0.3V. 0.4V. 0.5V. 圖組 3-8 改變外加偏壓大小，0.1V 為一區間紀錄 其振幅和相位的變化. 15.
(24) 0.6V. 0.7V. 0.8V. 0.9V. 1.0V. 1.1V. 圖組 3-8 改變外加偏壓大小，0.1V 為一區間紀錄 其振幅和相位的變化. 16.
(25) 1.2V. 1.3V. 1.4V. 1.5V. 1.6V. 1.7V. 圖組 3-8 改變外加偏壓大小，0.1V 為一區間紀錄 其振幅和相位的變化. 17.
(26) 1.8V. 1.9V. 2.0V. 圖組 3-8 改變外加偏壓大小，0.1V 為一區間紀錄 其振幅和相位的變化. 圖 3-9 隨偏壓上升之相位作圖. 18.
(27) 圖 3-10 隨偏壓上升之振幅作圖. (3) 載子漂移速度的計算 首先我們將載子傳輸時所延遲的相位換算成載子傳輸時所延遲 的時間，本實驗所使用的光源為重複頻率 76 MHz 的超快脈衝雷射， 我們將其視為連續波經由電光調變器調變成 500 KHz 的雷射光，每秒. 50 萬個脈衝，故兩脈衝相鄰時間為電光調變器調變頻率的倒數：. 而相鄰兩脈衝間產生的光致電流訊號相位差為 360∘，依前述我們可 求得相位與時間的換算： 1 degree = 5.5 n sec 我們將所測得的 LED 相位乘上 5.5 ns 便可得到 LED 的反應時間，LED 相位為-39.64 度，相位是相對的，可將此視為 320.36 度，故此 LED 的反應時間為 1.78μ sec。. 第二部份: (改變電光調變器) 改變電光調變器的頻率大小，並觀察其對光致電流的影響。由掃 描的圖形，再利用 Matlab 軟體計算出不同偏壓下的相位延遲。 19.
(28) 圖組 3-11 中，綠色及紅色圖形之 CH1、CH2 分別為鎖相放大器 的 channel 1 輸出和 channel 2 輸出，輸出值分別為 R cosθ及 R sin θ，其中 R 是光致電流訊號的振幅度，θ為其相位。我們改變電光 調變器的頻率，由 320 KHz 開始，以 20 KHz 為一個區間增加，並紀 錄下來。其實驗討論同第一部份，此次我們不施加偏壓。. 20.
(29) 320K Hz. 340K Hz. 360K Hz. 380K Hz. 400K Hz. 420K Hz. 圖組 3-11 改變頻率大小，20K Hz 為一區間紀錄 其振幅和相位的變化. 21.
(30) 440K Hz. 460K Hz. 480K Hz. 500K Hz. 520K Hz. 540K Hz. 圖組 3-11 改變頻率大小，20K Hz 為一區間紀錄 其振幅和相位的變化. 22.
(31) 560K Hz. 580K Hz. 600K Hz. 圖組 3-11 改變頻率大小，20K Hz 為一區間紀錄 其振幅和相位的變化. 23.
(32) 實驗結果如下： 我們使用電光調變器以調變雷射的頻率，我們由圖 3-11 得知，隨 頻率的上升 CH1、CH2 的光致電流影像有規律的變化。我們得到的 相位影像為均勻分布而不能是隨離電極距離增加而產生之相位延遲 現象， 其原因是 LED 之電極間距過近，雷射光打在 LED 上很快就 被吸收形成光致電流，於是作用區上各點的相位都相去不遠。 首先，對 Channel 1 及 Channel 2 進行分析，Channel 1 為 R cosθ 隨頻率上升 θ 由 90 下降到 0 度，X 值理應隨頻率上升而增加。實際 上，在 480K Hz 時開始下降，原因是 R 隨頻率上升而下降，在 480khz 時 R 下降的值比 cosθ上升的值大，故我們會得到隨頻率上升 Channel. 1 先升後降的結果，圖 3-12。. 圖 3-12 隨頻率上升 Channel 1 之輸出值. Channel 2 為 R sinθ，頻率上升時相位及振幅皆下降，故得到 Channel 2 隨頻率上升而下降的結果，圖 3-13。. 24.
(33) 圖 3-13 隨頻率上升 Channel 2 之輸出值. 我們分析改變頻率後其 LED 振幅及相位的變化。振幅隨著電光調 變器調變的頻率增加而下降，頻率上升導致雷射光打在 LED 上之時 間縮短，LED 來不及完全反映故我們獲得的影像之強度下降。參照 鎖向放大器的定義其訊號相位為:. θ signal =. θ ref - θ Matlab. θ ref. : 鎖相放大器之參考頻率. θ signal. :. θ Matlab. 光致電流訊號的相位 :. 將 X、Y 經 Matlab 計算所得之相位. 圖 3-14 的影像為 θ Matlab，而 θ ref 為 5.36 度，我們便可得到 θ signal， 相位隨著電光調變器調變的頻率上升而增加。我們將頻率對振幅和相 位作圖，並對相位作零位移 84.19 度。. 25.
(34) 圖 3-14 頻率對振幅和相位作圖. 26.
(35) 第四章 結論. 4.1 結論 先前我們使用雙光子脈衝雷射對 LED 進行激發，無法取得 RF. OBIC 影像，於是我們使用半導體藍光雷射(PDL-800B)來對 LED 進行 激發，可獲得 RF OBIC 影像，唯影像雜訊過大，於是我們假定是 OBIC 電路上之線路過長導致我們實驗會有如此大的雜訊，我們試著精簡電 路將這因素排除。此方法仍無法解決雜訊的問題，於是我們發現先前 使用雙光子脈衝雷射激發檢光器(photodiode)能產生 RF OBIC 影像， 其原因為檢光器的反應時間夠快，脈衝雷射掃描在檢光器上，檢光器 來得及反應雷射的掃描速度，我們利用示波器可在 OBIC 訊號觀察出 頻率和雷射重複頻率相同的電流訊號，故檢光器的 RF OBIC 能夠成 功完成。同樣的我們使用雙光子脈衝雷射或半導體藍光雷射在樣品上 掃描皆無法得到具有和雷射重複頻率相同的電流訊號，故無法獲得. RF OBIC 訊號。 我們試著去解決找尋雷射重複頻率較小的光源，先前本實驗室學 長的實驗是使用 He-Ne 雷射並配合 chopper 改變雷射的頻率且成功做 出 AC OBIC，但先前激發的元件為有機太陽能電池，其反應速度較 無機半導體慢，故使用 3000 轉的 chopper 調變頻率便可完成 AC OBIC 實驗，而 LED 實驗必須尋找其他替代的調變光源方式方可作出，於 是利用電光調變器的遮光特性來讓光有週期性的通過與截止，完成我 們 LED 的 AC OBIC 實驗。 我們成功的透過電光調電器測量出 InGaN 材料 LED 的時間解析 特性，InGaN 材料反應速度較慢，我們必須調變雷射光改變其頻率， 便可使用低頻雷射激發慢速半導體材料。我們由實驗中獲得 LED 的 反應時間及測得改變頻率其相位與強度的變化，其結果符合我們預期 的假設。 27.
(36) 4.2 未來展望 先前本實驗室對工研院進行技術轉移，工研院將 LED 樣品進行靜 電放電 (Electrostatic Discharge, ESD)破壞，之後利用光致電流和光致 螢光觀測破壞後之影像。經靜電放電破壞，光致電流影像在破壞處會 產生漏電流(Current leakage)，如圖 4-1(a)所示。而光致螢光影像則在 破壞區無訊號，如圖 4-1(b)所示。 我們接著將與工研院合作，利用本實驗室的共焦顯微技術及工研 院的儀器，兩者結合必能使我們的研究有更進一步的突破，並能擁有 更完整的 LED 檢測流程，以達到電性和光學檢測整合的系統，更能 獲得 LED 的所有特性。. (b). (a) 圖 4-1. (a) 經 ESD 破壞之 PL 影像 (b) 經 ESD 破壞之 OBIC 影像. 28.
(37) 附錄 A 實驗原理. A-1 發光二極體-電激發光原理 當我們對 LED 外加順向偏壓，電子與電洞分別由陰極與陽極注 入，當順向偏壓夠大的時，電子與電洞將分別越過陰極界面能障與陽 極界面能障，兩者在空乏區中相遇，形成電子—電洞對並再結合，再 結合所放出的能量會以熱能、光以及震動的方式釋放，若是以光的能 量釋放，電子激發至傳導帶，當這受激發的電子釋放能量回到價帶 時，部分能量會以光的形式放出我們將此稱做電激發光. (electro-luminescence)，詳細流程則見圖 A-1。 CONDUCTION BAND. P. N hole. electron VALENCE BAND. 圖 A-1 電激發光原理. 29.
(38) A-2 發光二極體-光致螢光原理 由於半導體材料的能階介於導體與絕緣體之間，一般電子都是位 在價電帶上，若今天將一能量高於能階的光(通常是使用雷射光)打向 樣品，則會有部分電子吸收光源能量後而躍遷至較高能階，隨後又會 掉至低能階，而掉落的過程其能量若以光的形式釋放，此發出的光就 是光致螢光，圖 A-2。光致螢光是研究半導體材料時常被使用的非破 壞性量測技術,可以從其中了解到材料的能隙大小。而我們實驗是用. 800nm 的近紅外光雷射來激發 LED，由於我們所量測到的影像有大 部分是反射光影像，故我們用 NIR 的濾光片來濾除反射光，使我們 順利量測到光致螢光影像。. 圖 A-2 光致螢光原理. 30.
(39) A-3 雙光子激發原理 近年來，飛秒近紅外光脈衝雷射在生醫科學雙光子顯微術扮演關 鍵性的角色‧ㄧ脈衝飛秒雷射光源(200 fs , 76M Hz)在單一脈衝下， 可提供足夠強度使分子產生雙光子吸收‧在很短的時間內，一分子吸 收兩個光子使該分子能躍遷至高能階已發出高能量的輻射光‧平均 強度不可太高以免破壞樣品‧. 圖 A-3 脈衝雷射. 圖 A-4 單光子與雙光子之躍遷圖. 適當的雷射強度下，雙光子吸收只發生在顯微鏡物鏡的焦平面 上，而螢光輻射被限制在此區域‧基於這原理三維影像可以在掃描共 焦顯微鏡未使用針孔(pinhole)的情況下獲得，且能克服原先單光子激 發時光源不均勻的問題。由於得到了具有高度同調性的光源，且均勻. 31.
(40) 地在半導體表面激發出光電子，故能量測到良好品質的光致電流，進 而得到高解析度的 OBIC 影像。雙光子雷射在很短的時間內，產生的 大量的光子使其能發生雙光子吸收‧相對的，連續波雷射是以較少的 光子持續發出光源，於是所發出的雷射光能量較弱‧. 圖 A-5 單光子與雙光子之激發示意圖. 32.
(41) A-4 發光二極體-光致電流原理 LED 是一個二極體結構，如圖 A-6 所示，在其 PN 接面處會因電 子電洞擴散的關係，形成作用區(action region)或空乏區(depletion. region)，作用區的兩側電荷形成電場加速載子在此區移動，並形成能 障不讓電子和電洞進入 P 層和 N 層。當入射光照射在作用區上，若 入射光的光子能量大於二極體的能隙，光子便能將電子擊出形成電子 電洞對(electron-hole pair)，部分的電子電洞對會再結合，而未再結合 的電子電洞對會形成光致電流由外部電路接收[17]。在電路上施以逆偏 壓，作用區隨之加寬電子電洞對更不易在結合，光致電流(optical beam. Induced current)的訊號更加明顯，之後透過前置放大器可測量到更微 弱的光致電流訊號。. 圖 A-6 光致電流原理. 33.
(42) A-5 DC OBIC, AC OBIC & Time-resolved OBIC 雷射光打在 LED 上，若入射光的光子能量大於半導體的能隙，光 子便能將電子擊出行程電子電洞對，部份電子電洞對會再結合，未再 結合的電子及電洞則會分別往 N 層及 P 層移動，經由迴路偵測到光 致電流的訊號,本實驗將光致電流顯微術，依屬性不同分為以下三項。. DC OBIC 光致電流是將連續波雷射照射於半導體元件產生電子電洞對，電 子電洞對會因在迴路上外加逆向偏壓而增強光致電流訊號，可透過偵 測電流訊號的改變來檢測半導體元件上的缺陷(defect)，又由於所接收 電流訊號為直流的特性，所以我們稱之 DC OBIC。. AC OBIC 若光源由脈衝雷射取代連續波雷射，半導體元件上將會產生脈衝 頻率的光致電流，其頻率會與雷射的重複頻率相同，由 RF Lock-in. Amplifier 做 AC 訊號的偵測，故稱此技術為交流光致電流(AC OBIC) ，此 技術亦可量測在 real-time 具光電的活性物質(optically active electronic. material)的空間解析頻率響應，由於脈衝之寬度與頻寬成反比，故超 快脈衝雷射之頻寬極窄，可產生較寬的頻寬，用以量測元件之高頻響 應，可提供高空間解析度，對於高速半導體元件之檢測具有極大之優 勢。. Time-resolved OBIC 我們將光致電流頻率和雷射重複頻率相同的訊號加以分析，計算 出半導體元件上的相位延遲，則我們所掃出的光致電流圖形，將會有 時間解析的特性，故我們稱此技術為時間解析之光致電流. (Time-resolved OBIC)。 34.
(43) 附錄 B 實驗儀器. B-1 雷射光源 本實驗中，我們所使用的雷射光源為半導體激發倍頻固態雷射. (Verdi, Coherent)，所產生的單頻綠光雷射(532nm)來激發被動鎖模摻 鈦藍寶石雷射(Ti : sapphire, Mira 900, Coherent)，如圖 B-1。而脈衝雷 射可調之波長範圍 700nm 至 900nm，脈衝寬度為 200fs，可有效的產 生約 1.8THz 之激發頻寬，當波長設定為 800nm 時，其重複頻率約為. 76MHz。我們的入射光能量為：. (a). (b) 圖 B-1 雷射光源示意圖. (a)Verdi, Coherent (b)Ti : Sapphire, Mira 900, Coherent. 35.
(44) B-2 共焦顯微掃描系統 FV300 共焦掃描系統最大的優點就是其容易改裝，可滿足不同的 實驗需求。共焦顯微掃描系統是由光學顯微鏡、Scanning Unit 以及分 析軟體(Fluoview)所組成，而影像掃描裝置為 X-Y galvano - mirrors 和 步進馬達組成，使用 galvano - mirror 掃描一解析度為 1024x1024 像素 的影像，僅須 15 秒。圖 B-2 中，紫色光路為雷射的入射光路，黃色 光路是從樣品所得到光資訊之回程光路，經過 pinhole 傳回光電倍增 管(PMT)所走的路徑，而綠色光路則是傳向另一個 PMT 的路徑。PMT 將光訊號轉換成電訊號，再將這些電訊號送回電腦，藉由 FV300 程 式加以分析，則可得到影像。. 圖 B-2 共焦掃描系統 Scanning Unit. B-3 低噪音電流前置放大器 低噪音電流前置放大器 (Low noise current preamplifier, SR570,. Stanford Research System)如圖 B-3，可調整靈敏度(sensitivity)為 1-2-5 進位，接收 1pA/V 至 1mA/V 間的電流訊號，將光電流訊號放大一千 倍，進而得到低噪音電致發光直流影像。. 36.
(45) 圖 B-3 低噪音電流前置放大器. B-4 鎖向放大器 鎖相放大器(RF Lock-in Amplifier, Model SR844, Stanford. Research Search)如圖 B-4，鎖相放大器可接受的訊號範圍在 25KHz ~ 200MHz 之間，適合做高頻訊號的測量，鎖向放大器可測量和偵測非 常小的 AC 訊號甚至是幾數 n V 的大小，鎖向放大器的關鍵技術為. PSD(phase-sensitive detection)可取出我們所想要的特定參考頻率或相 位，頻率和參考頻率不同的雜訊將無法影響量測‧ 雷射的重複頻率被當成參考頻率輸入鎖相放大器的 Reference In 端，被雷射激發的光致電流訊號，由 Signal In 端輸入，一參考頻率訊 號不經相位位移，在 PSD 與光致電流訊號疊合，再經過 low pass filter 之後，濾掉高頻的訊號，且僅有光致電流訊號與參考頻率相同，才能 被放大從 X channel 輸出，得 X = R cosθ。另一參考頻率相位位移 90 度到 PSD，與光致電流訊號疊合，經過 low pass filte，在 Y channel 得 Y = R sinθ。. 圖 B-4 鎖向放大器 37.
(46) B-5 電光調變器 實驗裝置使用 Pockels 效應來設計。Pockels 效應當施電場於晶體 時其折射係數會改變。此晶體為一個隨電壓改變的材料，外加偏壓 時，自晶體射出的偏振光會產生改變[18]。. 圖 B-5 電光調變器. 理想的電光調變材料有以下特性:. 1. 折射係數每隔 1 Volt 有很大的改變。 2. 高光學品質和高穿透性。 3. 低介電常數。 4. 調變輸出無壓電現象的失真。 所有晶體在光電調變時都有壓電現象(在壓電材料上外加電場，晶 體會產生形變) 。低頻下，一部分的量測是由外加電場改變折射係數 所產生的。 另一部份是由壓電形變所產生的， 壓電現象可由改變材 料和方向來減小，最好的選擇為 ADP 材料在與和 Y 軸角度為 45 度 時。 此條件在高頻和低頻響應時的差異不大。. 頻率調變 電光調變器晶體之慢軸與X軸角度為45度，未施加偏壓時，無光 通過電光調變器；若以一直流電壓調變EO 晶體，則可由Photodiode 38.
(47) 測得隨偏壓值改變的雷射光強度。. 圖 B-6 電光晶體振幅調變之架構. 我們將頻率 76MHz 之 Ti : Sapphire 雷射視為連續波雷射，而此 往 Z 軸方向行進的光，其電場為:. 雷射光經由偏光片(與 X 軸相差 90 度)之電場為:. 當電光調變器晶體之慢軸與 X 軸角度為 45 度時，其瓊斯矩陣為:. 39.
(48) 式中φ為 EO 晶體中快軸與慢軸間的相位延遲。 檢偏片(與 X 軸相差 0 度) ，其瓊斯矩陣為:. Ti:Sapphire 雷射經此一列光學系統由檢偏器出光，我們可得輸出光 的電場: E = A * Me-o * EP. 而光的強度為. 電光調變器晶體因雙折射而造成的相位延遲正比於 φ，我們施加偏 壓由 photodiode 測量得到雷射光的最大值，此時的外加偏壓為 Vmax ，未加偏壓時，光強度為零。故我們給予一固定頻率的訊號其電壓範 圍在 0 ~ Vπ/2，便可得到可調頻式的雷射光源。. 40.
(49) 附錄 C. Matlab 程式. 下面將要介紹的是用來分離相位與強度的程式，在這裡我要感謝 中山資工所柯正雯老師實驗室許正昀同學的幫忙以及陽明大學生醫 光電所陳俊熿同學的指教之下，讓這個程式更趨於完備。整個程式包 含了兩個檔案與兩張 logo，一個是程式碼檔案，另一個是 GUI 介面， 下圖是程式的操作介面:. 圖 C-1. 程式操作介面. 本程式是為一全圖像介面，按照指示將 X 與 Y 圖輸入，即可得到 相位與強度分布。在相位方面包含了零相位校正的功能，它主要是用 來平移整個圖像中，屬於非零點的相位，平移的有效值在 0~90 度之 間，以下是整個程式的內容: function varargout = rf_show(varargin) 41.
(50) % RF_SHOW M-file for rf_show.fig % RF_SHOW, by itself, creates a new RF_SHOW or raises the existing % singleton*. % % H = RF_SHOW returns the handle to a new RF_SHOW or the handle to % the existing singleton*. % % RF_SHOW('CALLBACK',hObject,eventData,handles,...) calls the local % function named CALLBACK in RF_SHOW.M with the given input arguments. % % RF_SHOW('Property','Value',...) creates a new RF_SHOW or raises the % existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are % applied to the GUI before rf_show_OpeningFunction gets called. An % unrecognized property name or invalid value makes property application % stop. All inputs are passed to rf_show_OpeningFcn via varargin. % % *See GUI Options on GUIDE's Tools menu. Choose "GUI allows only one % instance to run (singleton)". % % See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES % Copyright 2002-2003 The MathWorks, Inc. % Edit the above text to modify the response to help rf_show % Last Modified by GUIDE v2.5 18-Apr-2007 16:32:03 % Begin initialization code - DO NOT EDIT gui_Singleton = 1; gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ... 'gui_Singleton', gui_Singleton, ... 'gui_OpeningFcn', @rf_show_OpeningFcn, ... 'gui_OutputFcn', @rf_show_OutputFcn, ... 'gui_LayoutFcn', [] , ... 'gui_Callback', []); if nargin && ischar(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); 42.
(51) end if nargout [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); end % End initialization code - DO NOT EDIT % --- Executes just before rf_show is made visible. function rf_show_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) % This function has no output args, see OutputFcn. % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % varargin command line arguments to rf_show (see VARARGIN) % Choose default command line output for rf_show handles.output = hObject; axes(handles.axe_X); cla; d=imread('logo_nsysu.jpg','jpg'); imshow(d); axes(handles.axe_Y); cla; e=imread('logo_cse.jpg','jpg'); imshow(e); % Update handles structure guidata(hObject, handles); initialize_gui(hObject, handles); % UIWAIT makes rf_show wait for user response (see UIRESUME) % uiwait(handles.figure1); % --- Outputs from this function are returned to the command line. function varargout = rf_show_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) % varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT); % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB 43.
(52) % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Get default command line output from handles structure varargout{1} = handles.output; % --- Executes on button press in loadfile_x. function loadfile_x_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to loadfile_x (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) [fname,fpath]=uigetfile({'*.bmp','bmp(*.bmp)';'*.tif','tif(*.tif)'}); if strcmp(int2str(fname),'0') | strcmp(int2str(fpath),'0') return; end filepath=strcat(fpath,fname); if strcmp(filepath,handles.data.filename1) errordlg('This file has already been opened!!'); return end if handles.data.nfile==2 handles.data.nfile=1; else handles.data.nfile=handles.data.nfile+1; end handles.data.filename1=filepath; X=imread(handles.data.filename1); handles.data.dX=X(:,:,2); axes(handles.axe_X);cla;imshow(X); set(handles.xpath,'string',handles.data.filename1); guidata(hObject,handles); check_data_full(handles.figure1,handles,0); function initialize_gui(fig_handle, handles) if isfield(handles, 'data') return; end map_hsv = ones(30,3); map_hsv(1,:) = [0 0 0]; 44.
(53) map_hsv(2:30,1) = [0.6667:-0.6667/28:0]'; map_rgb = hsv2rgb(map_hsv); handles.data.map_hsv=map_hsv; handles.data.map_rgb=map_rgb; handles.data.filename1='No file'; handles.data.filename2='No file'; handles.data.coloreditflg=0; handles.data.h=0; handles.data.nfile=0; handles.data.lee=0; set(handles.xpath,'string',handles.data.filename1); set(handles.ypath,'string',handles.data.filename2); set(handles.bartxt,'string','DEFAULT'); guidata(handles.figure1, handles); % --- Executes on button press in loadfile_y. function loadfile_y_Callback(hObject, eventdata, handles) [fname,fpath]=uigetfile({'*.bmp','bmp(*.bmp)';'*.tif','tif(*.tif)'}); if strcmp(int2str(fname),'0') | strcmp(int2str(fpath),'0') return; end filepath=strcat(fpath,fname); if strcmp(filepath,handles.data.filename2) errordlg('This file has already been opened!!'); return end if handles.data.nfile==2 handles.data.nfile=1; else handles.data.nfile=handles.data.nfile+1; end handles.data.filename2=filepath; Y=imread(handles.data.filename2); handles.data.dY=Y(:,:,1); axes(handles.axe_Y); cla; imshow(Y); 45.
(54) set(handles.xpath,'string',handles.data.filename1); guidata(hObject,handles); set(handles.ypath,'string',handles.data.filename2); check_data_full(hObject,handles,0); % hObject handle to loadfile_y (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % --- Executes on button press in phase. function phase_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to phase (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) handles.data.lee = str2double(get(handles.input,'string')); guidata(hObject,handles); if strcmp(check_data_full(hObject,handles,1),'lose files') return end figure; colormap(handles.data.map_rgb); imagesc(handles.data.phase./pi.*180,[0 90]);axis square; set(gca,'xtick',[0:20:220]); set(gca,'xticklabel',{'0','20','40','60','80','100','120','140','160','180','200','220'}); g=colorbar; set(g,'ytick',[0:30:90]); set(g,'yticklabel',{'0','30','60','90'}); if handles.data.coloreditflg colormapeditor; end %guidata(hObject,handles); % --- Executes on button press in coloredit. function coloredit_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to coloredit (see GCBO) 46.
(55) % eventdata % handles. reserved - to be defined in a future version of MATLAB structure with handles and user data (see GUIDATA). % Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of coloredit handles.data.coloreditflg=get(hObject,'Value'); guidata(hObject,handles); % --- Executes on button press in Intensity. function intensity_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to Intensity (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) if strcmp(check_data_full(hObject,handles,1),'lose files') return end figure; black=zeros(90,3); black(1:90,3)=0:1/89:1; rgb=hsv2rgb(black); colormap(rgb); imagesc(handles.data.intensity,[0 400]),axis square; set(gca,'xtick',[0:20:220]); set(gca,'xticklabel',{'0','20','40','60','80','100','120','140','160','180','200','220'}); g=colorbar; set(g,'ytick',[0:50:400]); set(g,'yticklabel',{'0','50','100','150','200','250','300','350','400'}); colorbar; function varargout = check_data_full(h,handles,exe) if handles.data.nfile<2 if exe errordlg('You must load both X & Y files!'); varargout(1)={'lose files'}; return end return else 47.
(56) handles.data.dX = double(handles.data.dX); handles.data.dY = double(handles.data.dY); handles.data.dY(find(handles.data.dY<15)) = 0; handles.data.mask = handles.data.dY & handles.data.dX; handles.data.phase = zeros(size(handles.data.dX)); handles.data.phase(find(handles.data.mask)) = atan(handles.data.dY(find(handles.data.mask))./handles.data.dX(find(handl es.data.mask))); handles.data.phase(find(handles.data.mask)) = handles.data.phase(find(handles.data.mask))-(handles.data.lee./180.*pi); handles.data.intensity=zeros(size(handles.data.dX)); handles.data.intensity=(handles.data.dX.^2+handles.data.dY.^2).^0.5; varargout(1)={'success'}; guidata(h,handles); end % --- Executes on button press in pi_style1. function pi_style1_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to pi_style1 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) if strcmp(check_data_full(hObject,handles,1),'lose files') return end P=handles.data.phase./pi.*180; P=P/3; P=int8(P); P(find(P<1))=1; P(find(P>30))=30; I=handles.data.intensity; T=ones(512,512,3); T(:,:,1)=0; T(:,:,3)=I./400; T(:,:,1)=handles.data.map_hsv(P); F=hsv2rgb(T); figure, imagesc(F),axis square; 48.
(57) % --- Executes on button press in pushbutton6. function pushbutton6_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to pushbutton6 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) %handles.data.map_hsv = [h,handles.data.map_hsv]=mycolorbaredit(handles.data.map_hsv); %uiwait(s); handles.data.map_rgb = hsv2rgb(handles.data.map_hsv); guidata(hObject,handles); % --- Executes on button press in loadmycolorbar. function loadmycolorbar_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to loadmycolorbar (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) [fname,fpath]=uigetfile({'*.mybar'}); if strcmp(int2str(fname),'0') | strcmp(int2str(fpath),'0') return; end filepath=strcat(fpath,fname); set(handles.bartxt,'string',fname); fid=fopen(filepath,'r'); handles.data.map_hsv=fread(fid,[30 3],'double'); handles.data.map_rgb=hsv2rgb(handles.data.map_hsv); guidata(hObject,handles); function input_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to input (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,'String') returns contents of input as text % str2double(get(hObject,'String')) returns contents of input as a double handles.data.lee = str2double(get(handles.input,'string')); handles.data.phase(find(handles.data.mask)) = atan(handles.data.dY(find(handles.data.mask))./handles.data.dX(find(handl es.data.mask))); handles.data.phase(find(handles.data.mask)) = 49.
(58) handles.data.phase(find(handles.data.mask))-(handles.data.lee./180.*pi); figure; colormap(handles.data.map_rgb); imagesc(handles.data.phase./pi.*180,[0 90]),axis square; set(gca,'xtick',[0:20:220]); set(gca,'xticklabel',{'0','20','40','60','80','100','120','140','160','180','200','220'}); g=colorbar; set(g,'ytick',[0:30:90]); set(g,'yticklabel',{'0','30','60','90'}); if handles.data.coloreditflg colormapeditor; end guidata(hObject,handles) % --- Executes during object creation, after setting all properties. function input_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to input (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns called % Hint: edit controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER. if ispc set(hObject,'BackgroundColor','white'); else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')); end. 50.
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