반도체 분석장비) Photoluminescence PL 장비

PL은 광학적 특성을 측정하는 장비입니다.

이를 통해 Defect levels, impurity levels, 박막의 quality, target의 파장을 확인할 수 있습니다. 

 

PL 측정 용도

PL의 측정 용도는 반도체의 광학적 특성 및 조성, 불순물의 종류와 농도, 결정성, sample의 전자 구조적 특성 및 결함. 발광 특성뿐 아니라 2DEG 특성, 계면의 특성, 절연체 내 이온의 내부 복사전이 여부 등을 측정하는 데 사용합니다. 

 

PL에서 측정되어 나오는 파장을 통해 Bandgap과 Strain을 알 수 있고,

Intensity의 크기를 통해 optical quality, 즉 surface roughness, excitation power, electric field를 알 수 있고,

FWHM을 통해 dislocation, energy levels 등을 알 수 있습니다. 

 

Photoluminescence 이론

Luminescence

Luminescence란, 외부에너지를 가해서 물질 내의 고유한 전자 상태 간의 전이에 의해 흡수된 에너지를 빛 형태로 방출하면서 원래의 평형상태로 되돌아가는 물리적 현상입니다. Luminescence의 process는 크게 4가지로 나눌 수 있습니다. 

1. 가전자대에 있는 전자가 photon 에너지를 흡수하는 과정입니다.

2. 에너지를 흡수한 전자가 여기 되어 전도대로 올라가는 과정. 즉, 전자-정공쌍이 형성되어 가전자대에는 정공이 위치하게 되고, 전도대에는 전자가 위치하게 됩니다.

3. 전도대로 여기 된 전자들은 불안정하기 때문에 다시 원래의 평형상태인 가전자대로 되돌아가는 과정입니다.

4. 이때, 전자-정공쌍을 이루고 있던 전도대의 전자와 가전자대의 홀이 서로 재결합하면서 photon 에너지가 발생하게 됩니다. Photon Energy를 측정합니다. 

 

이 photon 에너지는 그 물질의 Band gap 에너지, 불순물의 종류와 그 농도 및 결정 상태에 의해서 다르게 나타냅니다. 즉, 외부 에너지를 가해서 소자에서 나오는 photon 에너지를 통해 반도체의 다양한 특성을 측정할 수 있습니다.

 

외부 에너지는 크게 빛 발광(PL), 전계발광(EL), 음극선발광(CL)으로 나뉘는데, 빛을 이용하여 에너지를 방출하는 PL을 실습합니다. 

 

luminescence 발광 종류는 크게 4가지가 있습니다.

 

1. Band to Band recombination 

Conduction band의 전자와 Valence band의 홀의 직접적인 재결합을 말합니다. Defect와 불순물이 없을 때의 이상적인 재결합을 보여주지요.

 

2. Donor – Acceptor pair recombination

Donor와 acceptoracceptor 간의 발광 재결합을 말합니다.

 

3. Exciton recombination

에너지를 크게 받아 CB보다 더 큰 에너지 밴드로 이동한 전자를 Exciton이라고 하는데, 이 Exciton이 Valence band의 hall과 재결합을 말합니다.

 

4. Deep level transition

Defect, internal impurity 등에 의한 trap 준위로 capture 된 상태를 말합니다.

발생되는 에너지가 작기 때문에 주로 노란빛을 방출합니다.

 

 

PL System

PL system은 그림 1과 같습니다. 레이저를 거울 광학계를 통해 sample에 조사하면, Photoluminescence가 일어나서 photon이 발생되게 됩니다. 이 방출되는 파장을 분해하고 수집하여 컴퓨터에 정보를 보내어 앞서 거론한 반도체 특성을 확인할 수 있습니다.

 

방출되는 광 정보를 수집하는 장비는 CCD detector, 모든 파장을 균일하게 하여 투과율을 낮추는 ND filter, grating 되는 파장을 분해하여 수집하도록 하는 분광기를 Monochromator 등을 사용합니다.

저온 PL 측정 시 Cryostat을 사용하여 챔버 내부를 저온으로 유지하게 해주는 장비를 사용하지요.

Visible PL 같은 경우, Laser은 헬륨-카드뮴 레이저 325nm, 405nm을 사용하였습니다.

 

UV- PL mapper 같은 경우, 213nm의 단파장의 레이저를 사용합니다. 이는 보다 넓은 밴드갭 물질을 측정 시 사용되지요. 

 

PL 측정방법 종류

PL 측정방법은 크게 3가지가 있습니다.

 

온도 변화 pl 측정

온도 변화 pl 측정은 크게 상온에서 측정하는 방법과 저온에서 측정하는 방법이 있습니다. 상온에서 측정하면 레이저를 통해 여기 된 캐리어가 다시 재결합을 이루는 과정에서 발생하는 signal을 통해 에너지 밴드와 같은 광 특성을 도출하고 이는 광범위한 에너지 밴드 정보를 분석이 가능합니다. 10k의 저온환경에서는 격자 진동 에너지가 감소하여 dislocation이 freeze 되는 특성을 이용하여 샘플의 intrinsicintrinsic 한 광 특성 거동을 분석합니다.

Power dependent PL

Power dependent PL은 레이저 세기 변화에 따른 pl을 측정하는 방법입니다.

이는 Band filling effect에 의한 Blue Shift를 확인할 수 있습니다. Band filling effect는 여기력 밀도가 높아짐에 따라 여기 되는 캐리어의 밀도가 높아지게 되면 band filling 효과에 의해 에너지 크기는 커지고 파장은 짧아지는 blue shift가 발생하는 것을 말합니다.

 

Pl mapping

Pl mapping은 대물렌즈를 사용함으로써 입사하는 레이저의 spot size를 control 하고 pixel화 시켜 발생되는 signal에 따라 측정값을 image화 시키고, 이 목적은 시편의 품질 균일도와 합금 조성의 균일도를 확인하기 위해서 진행합니다. 

 

Pl 특징

Pl의 장점은 빠른 측정시간과 비파괴 분석입니다.

PL의 단점은 불순물, 계면의 밀도 등의 정량적 측정이 어려우며, 액체 시료의 측정이 어렵습니다. 또한 diamond 같은 indirect bandgap을 가진 소재의 경우 intensity가 제대로 나오지 않아 측정이 어렵다는 단점이 있습니다.

 

 

PL 실습

실습 Sample

Blue LED, Green LED, GaN on sapphire, GaN on Sapphire(on pss)의 sample 

LED 구조를 보면,. GaN과 GaN InGaN이 있는 MQW 구조로, GaN은 barrier 역할을 하여 전자와 정공이 InGaN층에 구속되게 만듭니다.

즉, InGaN의 밴드갭만큼 파장이 발광이 되어, InGaN의 조성에 따라 blue, Green 등 나오는 빛이 다르게 됩니다. 이번 실험에서는 Blue led는 In0.15Ga0.85N 층을 사용하였고, Green led는 IN0.25Ga0.75N 층을 사용하였습니다.

이번 실습 시 그린 led의 조성은 edge 부분과 center 부분이 조성이 조금 달라 발광되는 파장이 다름을 이해하였습니다. Pss는 patterned sapphire substrate으로, 결함이 성장하면서 결함 두 개가 만나 하나로 되거나 없어지며 defect이 적어져, trap 준위로 인한 yellow luminescence가 줄어듦을 이해하였습니다. 

 

LED 구조

 

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Blue LED, Green LED는 Visible PL장비로 측정을 진행하였다. 405nm 레이저를 가했을 시, Blue와 Green led 각각 blue와 green 색이 나옴을 확인하였다. Green led 같은 경우 앞서 거론하였던 것처럼 edge부분이 노란색을 발광함을 확인하였는데, 이 이유는 MOCVD 장비 susceptor의 온도가 edge 부분과 center 부분이 다르고 질화물이 온도에 매우 민감하며, 같은 유량의 source를 집어넣어도 조성이 달라짐을 이해하였다.

 

GaN on sapphire, GaN on Sapphire(on pss)은 밴드갭의 차이로 인해 405nm 레이저로 확인이 불가능하다. 즉, 213nm의 UV PL mapper을 이용하여 실습을 한다. 213nm의 UV PL mapper 장비는 수동으로 올려야 하는 Visible PL과 달리 z 축을 프로그램을 통하여 최적화를 시켜줘 레이저가 나오는 곳과 sample의 intensity의 세기가 가장 센 곳으로 위치시켜줄 수 있다. 또한 Mapping을 하여 시편의 품질 균일도와 합금 조성의 균일도을 알 수 있다.

그림 3)GaN on sapphire 측정 결과

그림 3)에서, GaN on sapphire은 결정성이 좋지 않아 trap 준위로 인한 yellow luminescence의 peak이 비교적 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 GaN peak인 365nm가 뜨는 것을 알 수 있다. 그래프 왼쪽의peak는 레이저 peak가 떠있는 것을 볼 수 있다. 측정 결과는 왼쪽 위 결과는 파장, 왼쪽 아래 결과는 빛의 세기, 오른쪽 아래 결과는 반치폭을 나타낸다.

그림 4는, (왼쪽 맨 아래 결과) Reflectivity를 보여주는데, MOCVD의 온도 구배가 일정하지 않아 그림과 같이 부분마다 다른 값이 나온다.

그림 4)GaN on Sapphire의 reflectivity 측정 결과

그림 5)GaN on Sapphire(on pss) 측정 결과

그림5) 에서, GaN on sapphire(on pss)은 결정성이 좋아 trap 준위로 인한 yellow luminescence의 peak이 안 나타나는 것을 볼 수 있다. 또한 GaN peak인 365nm가 뜨는 것을 알 수 있다. 그래프 왼쪽의peak는 레이저 peak가 떠있는 것을 볼 수 있다

GaN on Sapphire(on pss) reflectivity 측정 결과