在這篇文章中我們提到：
傳統PL量測是一種穩態（steady-state）量測：材料受連續光激發後，收集的是達到平衡狀態下的發光強度與波長分佈。這種方法能快速反映發光波長（對應能隙, bandgap）與訊號強度的空間分佈，可以直觀的提供區域差異，然而因為強度本身同時受到多個變因交叉影響——激發光功率、發光中心濃度、表面反射與收光效率、量測過程中的光漂白效應，都會讓分析人員對於PL強度的空間分布變化產生疑慮：『現在的強度分布是否足夠真實？』。
如果加入時間軸的觀念，材料受脈衝光源(Pulsed Light source)激發後，產生的光訊號會隨時間衰減的，而這段衰減過程本身就承載著材料的動力學資訊。針對單一量測點，完整記錄這條衰減曲線並擬合出特徵時間常數（lifetime, τ），就是時間解析光致發光（time-resolved photoluminescence, TRPL）[2]。
TRPL提供的資訊是：『量測位置的螢光衰減得多快？』——由於Lifetime壽命是材料本質的動力學參數，不隨激發強度或濃度而改變，是一種自我參照式（self-referencing）的量測方式，降低不同位置的分析可能產生的潛在誤差[3]。在半導體材料中，壽命縮短通常直接對應非輻射復合路徑增加，也就是缺陷態（trap state）、差排（dislocation）或雜質造成載子被提前捕獲、以非輻射方式復合，而不是以發光方式釋放能量，這個分析特色是TRPL獨有的貢獻，能確實反應晶圓上的缺陷位置[1]。
FLIM來自於空間中所有單點TRPL結合的分布結果：透過雷射掃描或載台步進，在樣品表面的每一個像素點各自執行一次TRPL量測，再把每個位置取得的TRPL衰減曲線(Decay curve)與進一步擬合出的壽命值組合成一張影像，最終取得全晶圓表面的材料性質區域變化，除了點出缺陷的位置，其次也可以呈現電性的區域分布[1]。
在搭配12吋晶圓的樣品自動化取點載台，一張全晶圓尺度的FLIM就能自動化完成，下列提出幾個局部取樣難以達成的效益：
在下面的內容中，我們舉兩篇比較TRPL與PL在面對才料分析時的差異與所能提供的資訊。
傳統評估InGaN/GaN量子井發光二極體內部量子效率（IQE）的方法，是比較不同溫度下的穩態PL強度，並假設低溫時非輻射復合可忽略不計。然而實際實驗發現即使在低溫下，載子仍有一定機率被非輻射復合中心捕獲。作者改採TRPL量測，針對藍光與綠光InGaN/GaN多重量子井樣品，在5K至300K溫度範圍內記錄螢光衰減曲線，並以自建的載子速率方程模型，直接從衰減曲線的非指數特性中，分別擬合出輻射復合係數與非輻射復合係數。結果顯示，兩個係數都隨溫度呈現非單調變化，且與載子在量子井中的局域化／去局域化過程相關；由此計算出的IQE，也與傳統穩態PL法的趨勢不完全一致。這篇研究具體示範了TRPL如何從單一次量測中，同時拆解出輻射與非輻射兩種復合路徑各自的動力學行為，而不僅是像穩態PL一樣只能得到一個綜合強度數值。[15]
要評估太陽能電池或雷射二極體使用的直接能隙半導體材料品質，關鍵在於分辨輻射復合與非輻射復合各自的貢獻，但這兩種機制疊加在同一個量測訊號裡，通常難以單獨拆解。這篇論文提出一套結合TRPL與功率相依穩態PL（PDR-PL）的量測方法：先用TRPL在不同雷射脈衝強度下量測GaAs薄膜的螢光衰減時間常數，取得少數載子總壽命隨載子濃度的變化趨勢；再搭配PDR-PL量測，透過不同摻雜濃度樣品的PL訊號強度變化，反推出材料的輻射復合係數。兩者結合後，便能把總復合速率拆解成輻射與非輻射（Shockley-Read-Hall）兩個獨立項，分別求出各自的載子壽命。作者以四組不同p型摻雜濃度的GaAs雙異質結構樣品完成驗證，證實此方法能有效區分出材料本身的非輻射缺陷復合行為，而非僅得到一個混合各種機制的「表觀壽命」數值。[16]
拉曼光譜是目前廣泛應用在晶圓製程品質監控中的非破壞性分析技術之一。其量測原理是非彈性光散射，訊號源自晶格振動模式（phonon mode），因此對材料的「結構與化學」資訊有極高的敏感度：透過峰位、峰寬與強度變化，可分別追蹤應力/應變、結晶度與材料濃度的分布[4]。
例如GaN的E2(high)模式對應力相當敏感，相對於未受應力樣品的567 cm⁻¹基準峰位，拉曼位移增加代表壓縮應力（compressive strain），減少則代表張應力（tensile strain）[6]。
而在4H-SiC中，LO聲子模式（縱向光學聲子）則對氮摻雜濃度敏感，隨摻雜濃度增加，LO模式的拉曼位移會增加、峰形不對稱展寬且強度降低，這個現象源自聲子—電漿子耦合效應（phonon-plasmon coupling）[5]。這些都是晶圓製程監控中不可或缺、且已被業界長期採信的資訊維度。
而FLIM所提供的電子態層次的載子復合動力學，是拉曼結構分析之外，晶圓品質監控的一項重要的資訊[1]。拉曼訊號源自晶格振動的化學鍵結狀態，對於深部能階缺陷、非輻射復合中心等「電性缺陷」，只能透過拉曼峰形的變化做間接推論，難以直接量化復合速率。而FLIM透過壽命衰減直接反應非輻射復合路徑的強弱，是少數能在微米級空間解析度下，直接量化「電性品質」的技術[1][3]。
因此結合拉曼與FLIM的分析結果可以更完善的對晶圓結構與電性進行分析。當Raman與FLIM在同一量測點取得資料，可以得到兩組彼此獨立、卻同時對應同一物理位置的資訊[7][8]。使得晶圓分析從「單一技術給出單一結論」升級成同步雙驗證的診斷分析：
回到文章開頭的提問。PL提供的是材料「當下有多亮」的靜態快照，而晶圓材料的可靠度與良率，往往取決於載子復合機制這類無法單憑強度直接讀出的動態行為。把「時間」這個維度加入分析——從PL走向TRPL，再透過空間掃描擴展成FLIM——讓晶圓分析得以直接量化非輻射復合的強弱，而不只是依賴間接線索去推論。
當這項時間解析的能力，進一步搭配12吋全晶圓載台，並與拉曼在同一量測點疊合時，晶圓分析便能同時掌握物性、化性與電性——這正是「時間」這個維度，對晶圓材料分析而言真正的價值所在。
參考資料來源
[1] Edinburgh Instruments, What is FLIM – Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy?, edinst.com/resource/what-is-flim-fluorescence-lifetime-imaging-microscopy/
[2] Edinburgh Instruments, Measurement of Time-Resolved Photoluminescence in the Microsecond Range, edinst.com/resource/measurement-of-time-resolved-photoluminescence/
[3] Shcheslavskiy et al., Fluorescence Lifetime Imaging Techniques — A Review on Principles, Applications and Clinical Relevance, Journal of Biophotonics, 2025
[4] Edinburgh Instruments, What is Raman Imaging?, edinst.com/resource/what-is-raman-imaging/
[5] Edinburgh Instruments, Raman Spectroscopy of Silicon Carbide Semiconductor Wafers，edinst.com/resource/raman-silicon-carbide-semiconductor/
[6] Edinburgh Instruments, Raman and Photoluminescence Characterisation of GaN，edinst.com/resource/raman-and-photoluminescence-characterisation-of-gan/
[7] Edinburgh Instruments, RMS1000 Multimodal Confocal Microscope 產品頁，edinst.com/product/rms1000-raman-microscope/
[8] Edinburgh Instruments Blog, Map of the Month – RaFLIM of Quantum Dots，edinst.com/blog/map-of-the-month-raflim-of-quantum-dots/
[9] Zhang et al., Appl. Sci., 2022, 12, 7431
[10] Ditta et al., Spectrochim. Acta A, 2019, 221, 117173
[11] Higgs et al., J. Phys.: Condens. Matter, 2000, 12, 10105
[12] Edinburgh Instruments, Correlating Structural Defects and Radiative Efficiency in Silicon Wafers Using Simultaneous Raman and PL Multivariate Imaging
[13] Edinburgh Instruments, Raman Microscopy Wafer Screening for Semiconductor Defects
[14] Edinburgh Instruments, Raman Imaging of Strain in a Silicon Semiconductor Wafer
[15 ] Xing et al., Sci. Rep. 7, 45082 (2017)
[16] Niemeyer et al., AIP Advances 9, 045034 (2019)