隨著疫情三年的結束，大家又開始馬不停蹄出差、旅游、返鄉，生活的壓力讓人喘不過氣。更別提出行的時候，還需要背一個很沉的電腦，以及與它適配的、同樣很沉的、形狀不規律的、看著就很糟心的電源適配器！
有沒有一種東西，能夠讓大家的出行變得更加輕松（物理上）？那必須是現在越來越流行的氮化鎵（GaN）充電器了！一個氮化鎵充電器幾乎可以滿足所有出行充電的需求，并且占地空間小，簡直是出行神器！氮化鎵是一種無機物，化學式GaN，是氮和鎵的化合物，一種直接能隙（direct bandgap）的半導體材料。GaN材料具有寬禁帶、高臨界電場強度和高電子飽和速度等特點，其器件耐高溫、耐高壓、高頻和低損耗，大大提升電力器件集成度，簡化了電路設計和散熱支持，具有重要的價值和廣泛的應用，是現在最火熱的第三代半導體材料，沒有之一。GaN的應用不止在流行的充電器上，早在2014年日本科學家天野浩就憑借基于GaN材料的藍光LED獲得了諾貝爾獎。
不過GaN就沒有缺點了嗎？或者說GaN沒有改善的地方了嗎？
并不是， GaN技術的難點在于晶圓制備工藝。由于制備GaN的單晶材料無法從自然界中直接獲取，所以GaN的主要制備方法是在藍寶石、碳化硅、硅等異質襯底上進行外延。而現在由異質外延生長的GaN普遍存在大量缺陷的問題。缺陷的存在勢必會影響到晶體的質量，從而影響到材料和器件的電學性能，最終影響到未來半導體科技的快速發展。因此，降低GaN晶體里面的缺陷量，提高晶體質量，是當前第三代半導體領域研究很重要的一個課題。GaN晶體里面的雜質、缺陷是非常錯綜復雜的，無法單純通過某一項缺陷濃度或者雜質含量來定量描述GaN晶體是否是高質量，因此現在評價GaN晶體質量的手段比較有限。根據現有的報道，大致有以下幾種：多光子激發光致發光法（Multiphoton-excitation photoluminescence method，簡稱MPPL）、蝕坑觀察法（Etch pit method）以及二次離子質譜（Secondary-ion mass spectrometry，簡稱SIMS)。
多光子激發光致發光法采用長波長激發，遠大于帶邊熒光波長。激發過程需要同時吸收二個或者多個光子。通過吸收多個脈沖光子，在導帶和價帶形成電子空穴對，隨后非輻射馳豫到導帶底和價帶頂,最后產生帶邊發光和缺陷發光。通過濾波片獲得帶邊和缺陷發光光譜和光強，改變入射光斑的位置，從而得到樣品的熒光信號三維分布，即三維成像。多光子熒光三維成像技術可以識別和區分不同類型的位錯，但是無法定量評估GaN的晶體質量，而且多光子激發的系統造價高。
圖2 (a) Optical microscope image of etch pits. (b) 42 × 42 μm2 2D MPPL image taken at a depth of 22 μm. (c) 42 × 42 × 42 μm3 3D MPPL image, shown with contrast inverted參考文獻：
Identification of Burgers vectors of threading dislocations in free-standing GaN substrates via multiphoton-excitation photoluminescence mapping' by Mayuko Tsukakoshi et al; Applied Physics Express, Volume 14, Number 5 (2021)
蝕坑觀察法通過適當的侵蝕可以看到位錯的表面露頭，產生比較深的腐蝕坑，借助顯微鏡可以觀察晶體中的位錯多少及其分布。該方法只適合于位錯密度低的晶體，如果位錯密度高，蝕坑互相重疊，就很難將它們區分。并且該方法是對晶體有損傷的，做不到無損無接觸。
圖3 蝕坑觀察法
SIMS是利用質譜法分辨一次離子入射到測試樣品表面濺射生成的二次離子而得到材料表面元素含量及分布的一種方法。SIMS可以進行包括氫在內的全元素分析，并分辨出同位素、化合物組分和部分分子結構的信息。二次離子質譜儀具有ppm量級的靈敏度，最高甚至達到ppb的量級，還具有進行微區成分成像和深度剖析的功能。但是SIMS對晶體有損傷，無法做到無損。
以上三種技術均是評估GaN晶體缺陷的方法，但是每一種都有其缺憾的地方，它們無法做到定量的去評價GaN晶體的質量，而且具有破壞性。為了更好地定量評估GaN晶體質量，濱松公司和日本Tohoku University的Kazunobu Kojima教授以及Shigefusa Chichibu教授從2016年開始合作研發了一套基于積分球的全向光致發光系統（Omnidirectional Photoluminescence，以下簡稱ODPL），該系統是第一個無損無接觸定量去評價GaN晶體質量的方法/系統。
ODPL系統
ODPL系統是首個無接觸無損評價半導體材料晶體質量的方法，通過積分球法測量半導體材料、鈣鈦礦材料的內量子效率。該產品可以直接測量材料 IQE，具有制冷型背照式 CCD 高靈敏度以及高信噪比。點擊了解詳情。傳統光致發光的量子效率測量指的是晶體的PLQY，即光致發光量子效率，其定義為：
圖6 GaN樣品在積分球下的發射光譜
PLQY是表征晶體發光效率最常見的參數之一，對于絕大多數的發光材料，PLQY都是黃金標準。但是對于GaN晶體，PLQY的表征顯得不足。上圖可見，GaN的光致發射光譜呈雙峰形狀，這是由于GaN晶體中的缺陷等，會將GaN本身發射的PL再次吸收然后發射（光子回收Photon Recycling現象）。圖7 ( a ) PL and ODPL spectra of the HVPE / AT - GaN crystal and ( b ) detectable light - travelling passes considered in the simulation of light extraction :(1) direct escaping from the surface :( ii ) scattered at the bottom and escaping from the surface : and ( ii ) direct eseaping from the edge .( c ) Refractive index and absorption spectra of HVPE / AT - GaN .因為存在Photon Recycling的現象，GaN的PLQY不足以表征其發光轉化效率，而真正可以表征GaN晶體發光轉化效率的定義是其真正的內量子效率：IQE是GaN晶體的PLQY考慮LEE和光子回收現象以后的參數，更能直觀、定量反映GaN晶體的質量。高IQE的GaN晶體通常表現為：高載流子濃度、低穿透位錯密度、低雜質濃度、低點缺陷濃度、高激發功率密度。
圖10 不同穿透位錯密度晶體的IQE結果對比
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