СПОСОБ АНАЛИЗА КВАНТОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕГО ПРИБОРА И СИСТЕМА АНАЛИЗА, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ЕГО
METHOD OF ANALYSING QUANTUM EFFICIENCY OF SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DEVICE AND ANALYSIS SYSTEM USING SAID METHOD

Предпосылки изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к способу анализа квантовой эффективности полупроводникового светоизлучающего прибора (СИП) и системы анализа, использующей его, и, более конкретно, к способу анализа квантовой эффективности полупроводникового СИП, в котором используется мультифрактальная размерность, с тем чтобы объективно количественно оценить кристаллическое состояние слоя полупроводника полупроводникового СИП и, таким образом, оценивать квантовую эффективность, и к использующей его системе анализа.
Описание предшествующего уровня техники
[0002] Светоизлучающий прибор (СИП) представляет собой полупроводниковый прибор, который излучает свет различных цветов благодаря электрон-дырочной рекомбинации, происходящей на р-n переходе, когда на него подается ток. По сравнению с СИП на основе нити накаливания полупроводниковый СИП имеет много преимуществ, таких как длительный срок службы, низкое потребление энергии, прекрасные характеристики в начале работы и высокая устойчивость к повторяющимся включению/выключению питания. Поэтому потребности в полупроводниковых СИП постоянно увеличиваются. В частности, полупроводники из нитридов элементов группы III, которые могут излучать свет в диапазоне синих/коротких длин волн, привлекли в последнее время большое внимание. Чтобы получить СИП, использующее полупроводник из нитрида элемента группы III, монокристалл нитрида обычно формируют на специальной подложке для роста монокристалла, такой как подложка из сапфира или SiC.
[0003] Квантовая эффективность полупроводникового СИП зависит от эффективности электрон-дырочной рекомбинации и может быть косвенно измерена путем измерения инжектированного тока и энергии излучения света. Эффективность электрон-дырочной рекомбинации улучшается по мере того, как становится лучше качество монокристалла полупроводника, например монокристаллического нитридного полупроводника. Однако трудно установить критерий превосходности качества монокристалла полупроводника. То есть, даже если однородность поверхности определяется по изображению монокристалла полупроводника невооруженным глазом или с помощью рентгеновской дифракции (РД), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), атомно-силовой микроскопии (АСМ) или тому подобного, трудно объективно оценить рабочие характеристики полупроводникового СИП. Таким образом, требуется установить критерий для присвоения объективного численного значения однородности поверхности монокристалла полупроводника и, таким образом, предсказания квантовой эффективности полупроводникового СИП.
Сущность изобретения
[0004] Один аспект настоящего изобретения предусматривает способ анализа квантовой эффективности (квантового выхода) полупроводникового светоизлучающего прибора (СИП), который позволяет оценивать квантовую эффективность путем объективной количественной оценки кристаллического состояния слоя полупроводника полупроводникового СИП, и систему анализа, использующего его.
q
q
[0005] Согласно одному аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ анализа квантовой эффективности полупроводникового светоизлучающего прибора, включающий в себя: обеспечение изображения слоя полупроводника полупроводникового светоизлучающего прибора; преобразование этого изображения в двоичное изображение; получение размерности Реньи D для экспоненты q в качестве параметра мультифрактального анализа двоичного изображения; и определение размерности Реньи D в качестве критерия квантовой эффективности полупроводникового светоизлучающего прибора.
q
[0006] Размерность Реньи D может быть определена по нижеприведенному уравнению:
i
где в случае, когда двоичное изображение разделяется на число N квадратных участков со сторонами, каждая из которых имеет длину L, P определяется по нижеприведенному уравнению:
i
i
где m(L) устанавливают равным 1, если i-й участок включает в себя пиксель, имеющий значение пикселя 1, и m(L) устанавливают равным 0, если i-й участок не включает в себя пиксель, имеющий значение пикселя 1.
q
[0007] Определение размерности Реньи D в качестве критерия квантовой эффективности полупроводникового светоизлучающего прибора может включать в себя: получение значения Δq, определяемой уравнением ; и определение полученного значения Δq в качестве критерия квантовой эффективности.
[0008] Изображение может быть изображением с уровнями серого, и преобразование изображения в двоичное изображение может включать в себя: установку значения пикселя равным 0, когда этот пиксель имеет величину уровня серого, которая больше или равна предварительно заданной пороговой величине; и установку значения пикселя равным 1, когда этот пиксель имеет величину уровня серого, которая меньше, чем предварительно заданная пороговая величина.
[0009] Изображение слоя полупроводника полупроводникового светоизлучающего прибора может быть изображением в атомно-силовом микроскопе (АСМ).
q
[0010] Согласно другому аспекту настоящего изобретения предусмотрена система анализа квантовой эффективности полупроводникового светоизлучающего прибора, причем эта система включает в себя: блок захвата изображения, детектирующий изображение слоя полупроводника полупроводникового светоизлучающего прибора; блок двоичной обработки, преобразующий это изображение в двоичное изображение; и блок обработки данных, получающий размерность Реньи D в качестве параметра мультифрактального анализа двоичного изображения.
Краткое описание чертежей
[0011] Вышеуказанные и другие аспекты, признаки и другие преимущества настоящего изобретения будут более понятны из последующего описания, взятого в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:
[0012] Фиг.1 схематично показывает конфигурацию системы анализа квантовой эффективности полупроводникового светоизлучающего прибора согласно одному варианту реализации настоящего изобретения.
[0013] Каждая из Фиг.2(а)-2(с) показывает, как АСМ-изображение (на левой стороне), полученное с помощью блока захвата изображения, преобразуется в двоичное изображение (на правой стороне).
[0014] Каждая из Фиг.3(а)-3(с) показывает двоичное изображение, разделенное на множество квадратных участков согласно данному варианту реализации настоящего изобретения.
[0015] Фиг.4 показывает один пример графика lnL-А(q) и графика lnL-F(q) в случае q<<-1, а также график lnL-А(q) и график lnL-F(q) в случае q>>1.
q
[0016] Фиг.5(а)-5(с) представляют собой графики, показывающие изменения квантовой эффективности QE max относительно Δр, Δс и D соответственно.
Подробное описание предпочтительного варианта реализации
[0017] Теперь будут подробно описаны примерные варианты реализации настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи.
[0018] Настоящее изобретение, однако, может быть реализовано в разных формах и не должно рассматриваться как ограниченное изложенными здесь вариантами реализации. Наоборот, данные варианты реализации приведены с тем, чтобы это описание было исчерпывающим и полным и полностью довело объем настоящего изобретения до специалистов в данной области техники. На чертежах размеры слоев и областей увеличены для ясности иллюстрации. Одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым элементам по всему описанию.
[0019] Фиг.1 схематично иллюстрирует конфигурацию системы анализа квантовой эффективности полупроводникового светоизлучающего прибора (СИП) согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Согласно этому варианту реализации система 200 анализа квантовой эффективности полупроводникового СИП (далее называемая система 200 анализа) включает в себя блок 101 захвата изображения, блок 102 двоичной обработки и блок 103 обработки данных.
[0020] Блок 101 захвата изображения захватывает изображение, имеющее информацию о состоянии поверхности одного слоя полупроводника, составляющего полупроводниковый светоизлучающий прибор 100. Ввиду рассмотрения очень тонкой структуры поверхности слоя полупроводника, блок 101 захвата изображения может использовать атомно-силовой микроскоп (АСМ). Поэтому в данном варианте реализации АСМ-изображение, имеющее размер изображения 512×512 и содержащее информацию о неоднородности поверхности слоя полупроводника (далее также называемой поверхностью полупроводникового слоя), используется для определения квантовой эффективности. АСМ-изображение имеет вид, показанный на левой стороне фиг.2.
[0021] Значение каждого пикселя изображения поверхности полупроводникового слоя, захваченного блоком 101 захвата изображения, выражается уровнем серого и требует перевода в двоичный вид для того, чтобы упростить вычисление мультифрактальной размерности. То есть изображение поверхности полупроводникового слоя посылается в блок 102 двоичной обработки, и блок 102 двоичной обработки преобразует это изображение в двоичное изображение, имеющее значения пикселей 0 или 1.
[0022] Чтобы перевести изображение в двоичный вид, может быть использован хорошо известный способ в области обработки изображений. В качестве одного примера такого способа устанавливают заданную пороговую величину и значению пикселя присваивают 0, если уровень серого пикселя больше или равен этой пороговой величине; а если оно меньше пороговой величины, может быть присвоена 1. В этом случае, для того чтобы установить пороговую величину на надлежащее значение, пороговая величина может изменяться при одновременной проверке того, дает ли измененная пороговая величина адекватное выражение неоднородности поверхности полупроводникового слоя. Также пороговая величина может определяться путем анализа распределения значений всех пикселей, а затем предварительного установления числа пикселей, которые должны иметь значение пикселя 1. Например, число пикселей, которые должны иметь значение пикселя 1, может быть установлено равным 1/5 или 1/10 от общего числа пикселей. Каждая из Фиг.2(а)-2(с) показывает, как АСМ-изображение (на левой стороне), захваченное блоком 101 захвата изображения, преобразуется в двоичное изображение (на правой стороне).
[0023] После этого блок 103 обработки данных получает мультифрактальную размерность двоичного изображения, в результате чего предсказывается квантовая эффективность использованного при анализе полупроводникового СИП 100. Конкретнее, согласно настоящему изобретению при анализе квантовой эффективности полупроводникового СИП предполагается, что изображение поверхности полупроводникового слоя полупроводникового СИП находится в состоянии хаоса с нелинейными характеристиками, и мультифрактальная размерность вычисляется в таком предположении.
[0024] Чтобы описать мультифрактальный анализ, сначала будет кратко описана фрактальная размерность. Фрактальная размерность количественно выражает степень кривых, степень пустоты или т.п. геометрических структур, обладающих самоподобием. Обычно фрактальная размерность может быть представлена в десятичном виде, а не в виде целого числа. Фрактальная размерность отражает сложность системы. Есть много определений фрактальной размерности D, но обычно фрактальную размерность D определяют по нижеприведенному уравнению 1:
где N(L) обозначает число самоподобных фигур с единичной длиной L, покрывающих всю фигуру.
[0025] Например, если линия, имеющая длину 1, разделена на число N равных частей, L=1/N, N(L)=N и, следовательно, D=1. Это определение работает и для двух, и для трех измерений.
[0026] Согласно настоящему изобретению используется мультифрактальный анализ, основанный на понятии фрактала. Мультифрактал может рассматриваться как обобщенное понятие фрактала и может выражаться нижеприведенным уравнением 2, которое известно как размерность Реньи Dq:
i
1
2
n
q
2
[0027] Если q=0, его можно понимать как вышеприведенный общий фрактал. Функция вероятности P представляет собой вероятности элементов {x, x…х} анализируемого множества. В данном варианте реализации эти элементы соответствуют соответствующим значениям пикселей двоичного изображения. В уравнении 2 D обозначает размерность Реньи для мультифрактальной экспоненты q, a L обозначает длину одной стороны квадратного участка в случае, когда двоичное изображение разделено на число N квадратных участков. Соответственно, N=(512/L), когда общее число пикселей составляет 512×512.
q
[0028] Хотя верхний и нижний пределы сигмы не указаны отдельно в уравнении 2, нижний предел представляет собой i=1, а верхний предел представляет собой i=N. Это также может относиться к нижеприведенным уравнениям, если нет пояснений о верхнем и нижнем пределах сигмы. Теперь будет описан процесс получения размерности Реньи D двоичного изображения полупроводникового СИП на основе вышеприведенного уравнения 2.
i
i
[0029] Как показано на фиг.3(а)-3(с), двоичное изображение разделяется на квадратные участки со сторонами, каждая из которых имеет длину L. Каждая из Фиг.3(а)-3(с) показывает, как двоичное изображение разделяется на множество квадратных участков согласно данному варианту реализации. Обращаясь к фиг.3(а)-3(с), часть, отмеченная черным цветом, соответствует той части, где поверхность находится на высоком уровне, и значения пикселей в этой черной части равны 1. Из фиг.3(а)-3(с) можно видеть, что число участков увеличивается с 4 до 64, а L уменьшается с 256 пикселей (512/2) до 64 пикселей (512/8). Функцию вероятности P(L) получают для каждого отделенного квадратного участка, и при этом P(L) определяют по нижеприведенному уравнению 3:
i
i
1
2
3
4
i
iq
i
[0030] В вышеприведенном уравнении 3 m(L)=1, если по меньшей мере одно из значений пикселей на данном участке с длиной L равно 1, и m(L)=0, если ни одно значение пикселя на данном участке не равно 1. Соответственно, в случае фиг.3(а) Р(L=128)=0, Р(L=128)=1/3, Р(L=128)=1/3 и Р(L=128)=1/3. Для фиг.3(b) и 3(с) P(L) может быть получено таким же образом. Затем функцию вероятности μ(L) вычисляют с P(L), возведенным в степень q, по нижеприведенному уравнению 4:
[0031] В этом случае степень q устанавливают равной случайному действительному числу, и вычисление уравнения 4 повторяют со степенью q, постоянно увеличивающейся или уменьшающейся. Например, минимальное значение q устанавливают равным -200, и затем вышеуказанный процесс может повторяться со степенью q, увеличенной на единицу (или на величину, меньшую чем 1), до тех пор, пока степень q не достигнет максимального значения в 200.
iq
[0032] После этого к полученной функции вероятности μ(L) применяют теорию размерности Хаусдорфа, получая тем самым f(q) и α(q), выражаемые нижеприведенными уравнениями 5, 6, 7 и 8:
i
где α обозначает зависимость между P и длиной L участка, а F(α) обозначает зависимость между числом участков N(α) и длиной L.
[0033] Конкретнее, α(q) и f(q) могут вычисляться путем получения сначала А(q) и F(q) и затем дифференцирования полученных А(q) и F(q) по lnL, как выражается нижеприведенными уравнениями 9, 10 и 11:
[0034] Метод вычисления α(q) и f(q) посредством дифференцирования будет теперь описан более подробно. А именно, так как L уменьшается относительно выбранной степени q, т.е. от фиг.3(a) к фиг.3(c), могут быть получены график A(q) относительно lnL (далее называемый графиком lnL-A(q)) и график F(q) относительно lnL (далее называемый графиком lnL-F(q)). После этого вычисляют градиент графика lnL-A(q) и градиент графика lnL-F(q) по вышеуказанным уравнениям, тем самым получая a (q) и f (q).
[0035] Фиг.4 иллюстрирует пример графика lnL-A(q) и графика lnL-F(q) в случае q<<-1, а также графика lnL-A(q) и графика lnL-F(q) в случае q>>1.
q
q
[0036] После этого могут быть получены нижеприведенные уравнения 12 и 13 из определения размерности Реньи Dq на основе преобразования Регендрэ (Regendre) D и f(α), и в результате может быть получена D, как выражается нижеприведенными уравнениями 12 и 13:
q
q
1
q
1
[0037] Полученный D выступает в качестве критерия для определения однородности состояния поверхности полупроводникового СИП вместе с Δ, представленным как D-D, причем D определяют по уравнению
l
q
l
q
В этом случае, как видно из графиков на фиг.4, когда строят график lnL-A(q) или график lnL-F(q), градиент кривой на данном графике изменяется в точке особой длины L, которая обозначается как L* на фиг.4. Если L меньше, чем L*, D-D представляется как Δр, который используют в качестве критерия локальной симметрии. Если L больше, чем L*, D-D представляется как Δс, который может быть использован в качестве критерия общей симметрии.
q
q
[0038] Фиг.5(а)-5(с) представляют собой графики, показывающие изменения квантовой эффективности QЕ max относительно Δр, Δс и D соответственно. Чтобы измерить квантовую эффективность QЕ max, Δр, Δс и D получают из АСМ-изображения, имеющего информацию о поверхности полупроводникового слоя, собранную в качестве образца, и прилагают заданный ток от примерно 1 мА до примерно 100 мА. В эксперименте с током квантовую эффективность QЕ max определяют путем измерения количества инжектированных носителей Nс и количества фотонов Nр, а затем получения их отношения η=Nр/Nс.
q
[0039] В результате данного эксперимента, как показано на фиг.5(а), квантовая эффективность QЕ max существенно изменяется в точке, где |Δр|≒0,330. Конкретнее, никаких заметных изменений квантовой эффективности QЕ max нет, пока |Δр| меньше, чем примерно 0,330, но как только |Δр| превышает точку, где |Δр|≒0,330, квантовая эффективность существенно снижается. Обращаясь к фиг.5(b), можно видеть, что однородность состояния поверхности слоя полупроводника улучшается по мере увеличения Δс, тем самым вызывая увеличение квантовой эффективности QЕ max, и существенное изменение квантовой эффективности QЕ max происходит в точке, где |Δр|≒0,18. Напротив, обращаясь к фиг.5(с), можно видеть, что однородность состояния поверхности слоя полупроводника снижается по мере увеличения размерности Реньи D, тем самым вызывая уменьшение квантовой эффективности QЕ max, и существенное изменение квантовой эффективности QЕ max происходит в точке, где |Δр|≒1,65. Следовательно, параметр мультифрактального анализа изображения слоя полупроводника полупроводникового СИП может обеспечивать объективный критерий для определения того, насколько высока или низка квантовая эффективность.
[0040] Как описано выше, согласно настоящему изобретению квантовая эффективность полупроводникового СИП может быть оценена путем объективной количественной оценки кристаллического состояния слоя полупроводника полупроводникового светоизлучающего прибора.
[0041] Хотя настоящее изобретение было показано и описано в связи с примерными вариантами реализации, специалистам в данной области техники будет очевидно, что в нем могут быть проделаны модификации и вариации без отклонения от сущности и объема данного изобретения, определяемых прилагаемой формулой изобретения.