光致发光表征半导体特性

现实生活中，一旦离开半导体产品，人们几乎无法生活。它是驱动LED灯、计算机显示器和其他技术的引擎。大多数电子产品都使用半导体器件，最显著的是计算机芯片。

在半导体产品生产过程的各个阶段，包括开发、测试、质量控制和故障分析，光致发光（PL）技术都是对其进行表征的有力工具。

大多数现代半导体器件都是基于晶圆上的多层结构而构建出来，然后被切成单独的器件。基础材料的制作、晶圆的制造以及由晶圆制成器件，整个过程的表征都依赖于像光致发光这样的技术。

光致发光现象产生于材料中的电子吸收激发光光子跃迁到激发状态。对于半导体来说，激发光的能量通常高于材料的带隙。当电子由激发态弛豫后，会以发光的形式释放出多余的能量。发射的光通常携带着发光物质或周围环境的特征，甚至可以提供发光物种的局部动力学信息。

光致发光完全是光子介导过程，因而是非接触性、无损探测材料的方法。 因此，制造商可以将光致发光集成到生产过程中，而不会破坏或污染测试的样品。

现代半导体器件是高度设计化的材料，旨在使其表现出某些预定义的行为。这些材料通常通过外延工艺在各种基材上制造，这些工艺将不同的材料层堆叠在一起。工程师用各种原子堆栈制造出半导体器件。此过程要求非常严格的精度，光致发光作为一种工具，可用于验证所制作的产品是否与预期一致。堆积原子的方式以及堆积的原子种类，决定了最终能够实现的功能，从太阳能电池到LED器件。

例如，家庭用品商店的LED灯珠有着不同的颜色。有些是明亮的白色，有些则有黄色的色调，这都是材料设计，光致发光技术帮助确定晶圆的哪些部分适合做哪种光源。

光致发光提供独特的签名，为操作员提供有关品质和其他特征信息。它允许器件设计人员和制造商在实际制造之前，就知道晶圆的哪些部分能够满足要制造的设备的功能要求。器件一旦制造出来，却未能达到性能预期，那么代价可能非常高，因此在流程的早期确定和清除不良器件的成本要低得多。光致发光是执行此操作的关键技术。

光致发光还广泛用于分析半导体中的缺陷。缺陷通常是由于设计原因或者意外因素而引入到宿主材料基质中的异物，它们也可能是材料本身的结构变形。无论是哪种情况，这些缺陷都会影响存在这些缺陷的材料的能带结构。由于光致发光实际上是材料能带结构的测量，因此在材料设计、器件制造以及质量控制中，它都是缺陷分析的有用工具。

“许多我们的工业客户和研究客户使用HORIBA MicOS光致发光绘图仪器，主要用于确定晶圆均质性，并在其他情况下进行缺陷分析。”HORIBA科学仪器光学光谱部门产品线经理弗朗西斯·恩迪博士介绍说。

类似HORIBA MicOS这样典型的光致发光绘图仪，它们的工作原理是用聚焦的激光束在晶圆或器件上扫描，在几千至几百万个点上收集完整的光致发光谱。如图 1 所示，光致发光谱的各种参数都可以以图象的形式显示出来。

任何半导体器件工作的基础都是材料设计工作，以确保器件中使用的材料所具备支持预期器件的性能。这项工作通常归结为能带结构设计，因此光致发光显然是该阶段的关键分析技术。

在试生产层面，制造商使用光致发光来微调实际晶圆制造过程，考虑的是表征沉积过程的均质性、有意或无意引入的缺陷的存在和位置。

技术人员在产线末端使用光致发光进行质量控制，以确保不同制造批次的器件性能一致。光致发光作为一种共焦，还用于检查和维护制造过程本身的稳定性和鲁棒性，此时是监控和确保制造设备满足所需的严格公差。

最后，光致发光也是器件故障分析的重要手段，这依然是质量控制的一部分。设备可能在使用中出现问题，比如显示器的一部分不能正确显示了。这种问题可能出现在在工业应用层面，对于像美国宇航局这样的机构来说，那里的设备故障可能代价非常昂贵。研究人员使用光致发光来了解组件故障的原因，以便于他们可以在开发或制造阶段纠正它。

HORIBA提供的MicOS显微镜光学光谱仪，属于其 标准显微镜光谱解决方案（SMS）的一部分，用于进行此类和其他分析。它是一个模块化、多功能且经济高效的显微光谱仪平台，用于稳态和光致发光寿命测量。

MicOS将定制的高通量显微镜头与高性能三光栅成像光谱仪相结合，最多可配置三种不同类型的探测器。HORIBA MicOS系统可以定制多种光源和探测器，以满足实际研究的要求。MicOS 将显微镜和光致发光整合在一起，提供从样品到探测器的最佳耦合。