CN101105519A - 一种led芯片/晶圆的非接触式检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LED芯片/晶圆的非接触式检测方法，特别是一种用于未封装的单个LED芯片或者有多个LED芯片的晶圆的检测方法。它通过检测控制和信号采集处理单元(9)控制光源(7)发射激励光束(4)照射在待测LED芯片/晶圆(2)的PN结(1)上，PN结(1)上形成的自发光(3)由会聚透镜组(6)会聚至光电转换器(8)，光电转换器(8)将光信号转换成电信号，送入检测控制和信号采集处理单元(9)进行处理来实现对LED芯片/晶圆的检测。采用本发明所述方法可以对LED芯片/晶圆的PN结功能状态进行检测；还可以不接触LED芯片/晶圆实现对LED芯片/晶圆性能参数的检测。

Description

一种LED芯片/晶圆的非接触式检测方法

技术领域

本发明涉及一种LED芯片/晶圆的检测方法，特别是一种用于未封装的单个LED芯片或者有多个LED芯片的晶圆的非接触式检测方法。

背景技术

LED(Light Emitting Diode)以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，但是由于种种原因LED照明还不能普及化，其中价格昂贵是制约LED照明光源普及化的主要因素，而LED芯片的封装是LED成品生产的主要成本源，只有提高封装后的成品率，才能降低LED产品的生产成本，这样封装前的芯片检测就是LED批量生产的一项必要的工艺程序。

美国发明专利US006670820B2公开了一种用于半导体材料及器件电致发光特性检测的方法和仪器。其检测原理是在LED芯片的上下表面施加激发光，使PN结结构中的p区和n区中产生非平衡载流子；再在p区和n区之间施加一正向偏置的电压，形成牵引电场，吸引p区的空穴和n区的电子向中间的有源区运动，然后在有源区发生辐射复合，产生复合发光，所加偏置电压低于LED的导通门限，对非平衡载流子即电子一空穴对的产生影响较小，可以忽略；用光接收器件如光电二极管接收芯片有源区的复合发光，再结合激发光的强度和芯片的吸收系数，计算出光生载流子的浓度，结合有源区的复合发光量和实际光注入并到达有源区的载流子浓度，就可以定量分析出所测LED芯片的电致发光性能。该检测属于芯片级检测，并且需要直接接触芯片施加偏置电压。

中国发明专利申请02123646.1公开了一种LED外延片电致发光无损检测方法。该发明公布为进行电致发光检测，在外延片表面安置两个电极，其一为固定的负电极(接电源负极)，其二为正电极，将一高压恒流源加在两个电极之间，通过将正电极在表面上移动完成整个外延片发光质量的检测，得到外延片整片的电致发光质量。通过该方法还可以得到正向导通电压、反向漏电流等对于LED外延片而言非常重要的电学参数。另外，中国发明专利申请01112096.7公开了一种半导体基片品质评价的方法和装置。用一种激发光断续照射待测半导体基片表面，从而诱发半导体基片的光致发光，将基片的光致发光强度转变为电信号，再由接收及检测器件接收并检测。通过外延片的光致发光平均强度的变化得到光致发光的衰减时间常数，从而准确地评价半导体基片中的杂质和缺陷。这两个专利都是针对LED外延片进行的检测。

中国发明专利200510034935.2公开了一种发光二极管的自动化测试系统及方法。该测试装置可以测试封装完成后的LED成品的电流电压的电性参数，闸流和光学参数。

中国实用新型专利02265834.3公开的发光二极管平均发光强度测试仪和中国发明专利02136269.6公开的发光二极管平均发光强度的测量装置则主要针对LED的发光光度进行测试。这几种检测技术都是针对LED成品进行检测。

可以看到，目前已有的LED检测方法及设备主要用于LED外延层检测和成品检测。而对于LED芯片的检测，由于检测探针必须要接触芯片，容易造成芯片的污染甚至损坏，且测试探针本身为易耗件，增加了生产成本，因此较难为LED大批量生产过程接受采用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不直接接触芯片的LED芯片/晶圆的检测方法，它能在LED芯片封装前，LED晶圆切割前，不接触LED芯片/晶圆本身而快速地检测LED芯片/晶圆的功能状态和性能参数。

当光照射在PN结上，能量大于禁带宽度的光子会激发本征吸收，在结的两边产生电子空穴对。由于PN结势垒区存在较强的内建电场，结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向对方区域方向运动。p区的电子向n区运动，n区的空穴向p区运动，降低了PN结的势垒，于是在PN结两端形成光生电动势，这是PN结的光生伏特效应。当PN结一直处于开路状态并受到光照射时，光生电荷会在势垒区蓄积，使PN结表现出电容特性。势垒的降低破坏了PN结内部载流子扩散运动和漂移运动之间原有的平衡。当光生载流子的运动电流密度和多数载流子的扩散电流密度相等时，PN结两边建立起稳定的电势差V_oc，此时，光生载流子的产生率等于电子空穴对的复合率。若光照不停止，光生载流子不断产生，电子空穴对也会不断复合，复合就会引起LED PN结的发光。因此在静态光照射下，只要光照不停止，PN结会有持续的自发光。然而，光照产生的电动势始终是有限的，若小于二极管的死区电压，则正向电流非常小，LED的发光强度也将很弱，可能不能被检测到。根据PN结的电压-电流特性，在正向偏压大于阈值(等于死区电压值)后，其正向电流(多子扩散流密度)随偏置电压指数增加。若将恒定光照产生的光生电动势作为LED的直流偏置电压，而利用一个交变磁场给LED提供一个小的交流电压，则多子扩散流的峰值将会大大提高，相应的发光的峰值强度也会大大增强。并且通过交变磁场的交流干预，会产生交变的发光，从频率上可和激励光(直流)相区别。

另一方面，若PN结受到脉冲光照射，根据LED PN结的发光原理，在光照结束的瞬间，光生电动势将逐渐消失，蓄积的电荷会扩散，形成扩散电流，相当于PN结电容的放电过程，这个瞬态过程中存在电子-空穴对的复合，因此会产生发光。由于放电的过程极短，该发光过程是一个瞬态的过程。

本发明正是依据PN结光电特性和LED PN结的发光功能，通过检测光照在LED芯片的PN结上发生的光生伏特效应引起的自发光来实现对LED芯片功能状态和性能参数的检测。

本发明是这样实现的：一种LED芯片/晶圆的非接触式检测方法，其特征在于：它通过检测控制和信号采集处理单元控制光源发射激励光束照射在待测LED芯片/晶圆的PN结上，光电转换器检测LED的PN结由于光照产生的自发光来实现LED芯片/晶圆的检测。

具体地说，一种LED芯片/晶圆的非接触式检测方法，其特征在于：它通过检测控制和信号采集处理单元控制光源发射激励光束照射在待测LED芯片/晶圆的PN结上，PN结上形成的自发光由会聚透镜组会聚至光电转换器，光电转换器将光信号转换成电信号，送入检测控制和信号采集处理单元进行处理来实现对LED芯片/晶圆的检测。

上述光源是与待测LED一样的LED光源或者波长小于待测LED波长的一切光源。

本发明还给出一种检测方法，也就是上述方法中，在光照的同时，还将所述PN结置于交变的磁场中，在PN结上形成的交变自发光，再由会聚透镜组会聚至光电转换器，光电转换器将光信号转换成电信号，送入所述检测控制和信号采集处理单元进行处理来实现对LED芯片的检测。

其中，激励光是静态光；上述产生交变磁场的交变磁场产生器与上述检测控制和信号采集处理单元电连接。

本发明再给出一种LED芯片的非接触式检测方法，其特点在于：它通过检测控制和信号采集处理单元控制光源发射激励光束先透射过半透镜组，再照射在待测LED芯片的PN结上，半透/半反镜组又将PN结上形成的自发瞬态光反射至会聚透镜组，会聚透镜组再将光束会聚至光电转换器，光电转换器将光信号转换成电信号，送入检测控制和信号采集处理单元进行处理来实现对LED芯片的检测。

其中，激励光束为脉冲光。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明可以对LED芯片/晶圆的PN结功能状态进行检测。

当LED芯片/晶圆PN结处于开路条件，LED的PN结受到光照射时，如果PN结功能正常，伴随着光生载流子的运动会产生多数载流子的扩散运动，处于激发态的电子在半导体中运动一段时间后，又回到较低的能量状态，并发生电子-空穴的复合。对于LED，在复合过程中，电子主要以发光的形式释放出多余的能量。所以通过检测LED PN结在光照下是否产生自发光，可以检测PN结功能是否正常。

2、本发明可以不接触LED芯片/晶圆实现对LED芯片/晶圆性能参数的检测。

LED PN结一直处于开路状态并受到光照射时，光生电荷会在势垒区累积，使PN结表现出电容特性。当光照结束时，不再有光生载流子及其扩散运动，PN结内多数载流子的扩散和光生载流子运动的平衡被打破，光生电动势将逐渐消失，累积的电荷会扩散，形成扩散电流，相当于PN结电容的放电过程，这个瞬态过程中仍然存在电子-空穴的复合，因此产生发光。发光强度与放电电流大小有关。电流越大，则发光越强。由于结电容累积的电荷有限，放电过程是瞬态的，故发光也是瞬态的。检测LED PN结在放电过程中的瞬态发光过程，也可以检测出LED的性能参数，如PN结的功能正常与否，PN结的相关参数和PN结的发光效率等。

附图说明

图1是本发明实施例1非接触式检测方法的原理框图；

图2是图1中检测控制和信号采集处理单元的原理框图；

图3是图2中光源驱动电路的一种实施电路；

图4是本发明实施例2非接触式检测方法的原理框图；

图5是本发明实施例4非接触式检测方法的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述，但本发明并不仅限于此。

实施例1：参见图1，一种LED芯片的非接触式检测方法，其特征在于：它通过检测控制和信号采集处理单元9控制光源7发射激励光束4照射在待测LED芯片2的PN结1上，PN结1上形成的自发光3由会聚透镜组6会聚至光电转换器8，光电转换器8将光信号转换成电信号，送入检测控制和信号采集处理单元9进行处理来实现对LED芯片的检测。

上述激励光束4可以是静态光，也可以是脉冲光。

参见图2，本例所采用的检测控制和信号采集处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、CPU、显示器、光源控制波形产生电路和光源驱动电路，其中信号调理电路的输出端与模/数转换电路A/D的输入端相连；模/数转换电路A/D的输出端与CPU的输入端相连；CPU的输出端分别与模/数转换电路A/D、光源控制波形产生电路和显示器的输入端相连；光源控制波形产生电路的输出端与光源驱动电路的输入端相连。工作时，信号调理电路与光电转换器连接，光源驱动电路控制光源产生激励光线(静态光或脉冲光)照射在LED芯片的PN结上。

参见图3，它是本例中给出的具体的光源驱动电路；当然上述检测控制和信号采集处理单元中的信号调理电路、模/数转换电路、光源控制波形产生电路均可采用现有的常规电路。

上述检测控制和信号采集处理单元9控制光源7发射激励光束4(静态光)以一定入射角度照射在待测LED芯片2的PN结1上，该入射角度根据会聚透镜的半径选择，入射光束应避免射到会聚透镜上，大部分光束在所述芯片2上作用后成为反射光5，透射进所述芯片2的部分光能使所述LED芯片的PN结1发生光生伏特效应，形成光生电动势，光生电动势使势垒降低，加速PN结中多数载流子的扩散运动，引起复合，形成发光。会聚透镜组6将PN结1的自发光3会聚至光电转换器8，光电转换器8将光信号转换成电信号送入检测控制和信号采集处理单元9中进行分析：若检测到PN结的自发光，则PN结完好，否则PN结功能不正常。

为了避免反射光5进入光电转换器8，对自发光3的检测造成干扰，可以选择发射脉冲光作为激励光束4，这样，在光照停止时，PN结1中蓄积在空间电荷区的电荷以放电形式向结两端扩散，引起瞬态自发光。会聚透镜组6将PN结1的瞬态自发光会聚至光电转换器8，光电转换器8将光信号转换成电信号送入检测控制和信号采集处理单元9中进行分析：若检测到PN结的瞬态自发光，则PN结完好，否则PN结功能不正常。由于需要采集的光为瞬态光，且光强很弱，为避免激励光的干扰，以防光电转换器8饱和，激励光源7和光电转换器8应以交替开关状态工作，激励光源7关断，光电转换器8才工作。

当然，这种方法也适用于LED晶圆的检测。

实施例2：参见图2～4，一种LED芯片的检测方法，其特征在于：它通过检测控制和信号采集处理单元9控制光源7发射激励光束4照射在待测LED芯片2的PN结1上，光照的同时，将所述PN结置于交变的磁场11中，PN结1上形成的交变自发光3由会聚透镜组6会聚至光电转换器8，光电转换器8将光信号转换成电信号，送入所述检测控制和信号采集处理单元9进行处理来实现对LED芯片的检测。

本例中激励光是静态光；上述产生交变磁场的交变磁场产生器10与上述检测控制和信号采集处理单元9电连接。

上述检测控制和信号采集处理单元9控制光源7发射激励光束4(静态光)照射在待测LED芯片2的PN结1上，大部分光束在所述芯片2上作用后成为反射光5，透射进所述芯片2的部分光能使LED PN结1发生光生伏特效应，形成光生电动势。该电动势是直流电压，作为PN结1的直流偏置。光照的同时，交变磁场产生器10产生一交变磁场11，将PN结1置于交变磁场中，在PN结1上会产生交变的感生电动势，使PN结1产生交变自发光3。会聚透镜组6将PN结1的交变自发光3会聚至光电转换器8后送入检测控制和信号采集处理单元9进行处理。因为激励光是静态光，而PN结的自发光是交变光，因此易于处理。若检测到PN结的自发交变光，则PN结完好，否则PN结功能不正常。

当然，这种方法也适用于LED晶圆的检测。

实施例3：参见图1～4，一种LED晶圆的检测方法，它与实施例1和2相同，所不同的是它通过检测控制和信号采集处理单元9控制光源7发射激励光束4照射在待测LED晶圆的所有PN结上，且采用常规的面阵列光电检测元件作为光电转换器。若检测到PN结的自发光，则PN结完好，否则PN结功能不正常。

本例中的激励光束4为静态光。

实施例4：参见图1～3，一种LED晶圆的检测方法，它与实施例1相同，所不同的是它通过检测控制和信号采集处理单元9控制光源7发射激励光束4顺序扫描逐个照射在LED晶圆的每个PN结上。若检测到PN结的自发光，则PN结完好，否则PN结功能不正常。

本例中的激励光束4为静态光。

实施例5：参见图2、3和5，一种LED芯片的检测方法，其特点在于：它通过检测控制和信号采集处理单元9控制光源7发射激励光束4透射过半透/半反镜组12，照射在待测LED芯片2的PN结1上，半透/半反/半反镜12组又将PN结1上形成的自发瞬态光3反射至会聚透镜组6，会聚透镜组6再将光束会聚至光电转换器8，光电转换器8将光信号转换成电信号，送入检测控制和信号采集处理单元9进行处理来实现对LED芯片的检测。

本例中的激励光束4为脉冲光。

上述检测控制和信号采集处理单元9控制光源7发射激励光束4(脉冲光)垂直入射半透/半反镜组12，透射过半透/半反镜组12的光束垂直照射在LED芯片2的PN结1上，透射进芯片2的部分光能使所述LED芯片的PN结1发生光生伏特效应，形成光生电动势。光照停止时，PN结1中蓄积在空间电荷区的电荷以放电形式向结两端扩散，引起瞬态发光。半透/半反镜组12将PN结1的自发瞬态光反射至会聚透镜组6，会聚透镜组6再将光束会聚至光电转换器8，光电转换器8将光信号转变成成电信号送入检测控制和信号采集处理单元9中分析处理，若检测到PN结的自发光瞬态光，则PN结完好，否则PN结功能不正常。

Claims (8)

1.一种LED芯片/晶圆的非接触式检测方法，其特征在于：它通过检测控制和信号采集处理单元(9)控制光源(7)发射激励光束(4)照射在待测LED芯片(2)/晶圆的PN结(1)上，PN结(1)上形成的自发光(3)由会聚透镜组(6)会聚至光电转换器(8)，光电转换器(8)将光信号转换成电信号，送入检测控制和信号采集处理单元(9)进行处理来实现对LED芯片/晶圆的检测。

2.如权利要求1所述的LED芯片/晶圆的非接触式检测方法，其特征在于：所述光源(7)为与待测LED一样的LED光源或者波长小于待测LED波长的一切光源；对于LED芯片的检测，所述激励光束(4)为静态光或脉冲光；对于LED晶圆的检测，所述激励光束(4)为静态光，当静态光照射在待测LED晶圆的所有PN结上，所述光电转换器(8)为面阵列光电检测元件；当静态光顺序扫描逐个照射在LED晶圆的每个PN结上，所述光电转换器(8)为普通光电转换器。

3.一种LED芯片/晶圆的非接触式检测方法，其特征在于：它通过检测控制和信号采集处理单元(9)控制光源(7)发射激励光束(4)照射在待测LED芯片/晶圆(2)的PN结(1)上，光照的同时，将所述PN结置于交变的磁场(11)中，PN结(1)上形成的交变自发光(3)由会聚透镜组(6)会聚至光电转换器(8)，光电转换器(8)将光信号转换成电信号，送入所述检测控制和信号采集处理单元(9)进行处理来实现对LED芯片/晶圆的检测。

4.如权利要求3所述的LED芯片/晶圆的非接触式检测方法，其特征在于：所述激励光束(4)是静态光；产生交变磁场(11)的交变磁场产生器(10)与所述检测控制和信号采集处理单元(9)电连接；检测LED晶圆时，当静态光照射在待测LED晶圆的所有PN结上，所述光电转换器(8)为面阵列光电检测元件；当静态光顺序扫描逐个照射在LED晶圆的每个PN结上，所述光电转换器(8)为普通光电转换器。

5.如权利要求1、2、3或4所述的LED芯片/晶圆的非接触式检测方法，其特征在于：所述检测控制和信号采集处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、CPU、显示器、光源控制波形产生电路和光源驱动电路；其中信号调理电路的输出端与模/数转换电路的输入端相连；模/数转换电路的输出端与CPU的输入端相连；CPU的输出端分别与模/数转换电路、光源控制波形产生电路和显示器的输入端相连；光源控制波形产生电路的输出端与光源驱动电路的输入端相连；工作时，信号调理电路与光电转换器电连接，光源驱动电路控制光源产生激励光束(4)照射在待测LED芯片/晶圆(2)的PN结(1)上。

6.一种LED芯片的非接触式检测方法，其特征在于：它通过检测控制和信号采集处理单元(9)控制光源(7)发射激励光束(4)透射过半透/半反镜组(12)，照射在待测LED芯片(2)的PN结(1)上，半透/半反镜组(12)又将PN结(1)上形成的自发瞬态光(3)反射至会聚透镜组(6)，会聚透镜组(6)再将光束会聚至光电转换器(8)，光电转换器(8)将光信号转换成电信号，送入检测控制和信号采集处理单元(9)进行处理来实现对LED芯片的检测。

7.如权利要求6所述的LED芯片的非接触式检测方法，其特征在于：所述激励光束(4)为脉冲光；所述检测控制和信号采集处理单元(9)控制光源(7)发射激励光束(4)垂直入射半透/半反镜组(12)，透射过半透/半反镜组(12)的光束垂直照射在所述待测LED芯片(2)的PN结(1)上。

8.如权利要求6所述的LED芯片的非接触式检测方法，其特征在于：所述检测控制和信号采集处理单元包括信号调理电路、模/数转换电路、CPU、显示器、光源控制波形产生电路和光源驱动电路；其中信号调理电路的输出端与模/数转换电路的输入端相连；模/数转换电路的输出端与CPU的输入端相连；CPU的输出端分别与模/数转换电路、光源控制波形产生电路和显示器的输入端相连；光源控制波形产生电路的输出端与光源驱动电路的输入端相连；工作时，信号调理电路与光电转换器电连接，光源驱动电路控制光源产生激励光束(4)照射在待测LED芯片/晶圆(2)的PN结(1)上。

Images