CN101339092A - Led芯片/晶圆/外延片的非接触式检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED芯片/晶圆/外延片的非接触式检测方法及检测装置，其中方法包括：通过检测可控激励光照射下待测器件PN结的光致发光，对LED芯片/晶圆/外延片的发光特性和电特性进行检测；检测装置包括：装置中的检测控制和信号处理单元对光检测单元传来的信号进行处理、分析，测试台用于夹持/移动待测器件、支承光检测单元；本发明的有益技术效果是：同时对LED芯片/晶圆/外延片的发光特性和电特性的非接触、无损检测，把LED产品的检测和筛选由“成品”环节推进到“芯片”环节，降低LED的成本。

Description

LED芯片/晶圆/外延片的非接触式检测方法及检测装置

技术领域

本发明涉及一种LED芯片/晶圆/外延片参数的检测技术，尤其涉及一种LED芯片/晶圆/外延片的非接触式检测方法及检测装置。

背景技术

半导体发光器件LED(Light Emitting Diode)以其寿命长、耗能低、无污染、耐震动、响应速度快、应用灵活、控制方便等特点，正在从显示器件发展成为下一代的主要照明器件。随着LED的关键技术不断突破，其发光效率快速提高。采用LED作为半导体照明光源的应用领域不断扩展，科研人员、工程技术人员和企业生产者正共同努力争取在尽可能短的时间内实现LED作为普通照明光源的应用。

由于没有合适的检测设备，目前检测和分选是许多LED芯片厂商的产能瓶颈，也是LED产品成本的一个重要来源。对外延片或者晶圆上每一个LED芯片单元的的快速、低成本、无损检测方法和设备，成为业界关注的焦点。

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芯片上施加激发光，同时在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-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，并且需要接触芯片施加偏置电压。

中国发明专利申请98124685.0公开了一种光致发光谱扫描成像仪，由于光电材料外延片的光谱分布和能带结构有关，其电致发光和光致发光的光谱是一样的，这样用激光扫描光电材料外延片，获得光致发光光谱，对外延片的发光亮度和光谱纯度进行在线检测。

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。这是一种接触式检测方法，电极还需要在外延片的表面移动。

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。这几种检测方法都是针对LED成品进行检测。

可以看到，能够同时检测LED光、电参数的检测方法及设备主要用于成品检测，通过LED光、电学特性的检测实现对LED的分选。而对于LED外延片和芯片的检测，由于检测电参数时测试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

一种LED芯片/晶圆/外延片的非接触式检测方法，包括：通过检测可控激励光照射下待测器件PN结的光致发光，对LED芯片/晶圆/外延片的发光特性和电特性进行检测。

其中，可控激励光包含有波长小于待测LED波长光成分的光源且强度可调。

上述的对LED芯片/晶圆/外延片的发光特性和电特性进行检测，包括：

(1)在光强为P_m，0的可控激励光光照下测量参照样品PN结的光致发光强度P_out，0和光致发光中心波长λ_y，该参照样品的正向电流与发光强度的关系曲线(I_F-P_out特性)为已知；

(2)在同样光强为P_m，0的可控激励光光照及同样条件下测量待测器件PN结的光致发光强度P_out，x和光致发光中心波长λ_c；

(3)根据下式计算待测器件PN结的正向电流：

$I_{F,x}=\frac{P_{\mathrm{out},0}}{P_{\mathrm{out},x}}{I}_F$

式中：I_F，x为待测LED芯片/晶圆/外延片PN结的正向电流；

      P_out，0为测量到的参照样品PN结的光致发光强度；

      P_out，x为测量到的待测LED芯片/晶圆/外延片的PN结的光致发光强度；

      I_F为参照样品PN结的正向电流；

(4)根据下式计算待测器件PN结的正向偏置电压V_FC：

$V_{\mathrm{FC}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_y}{{\mathrm{\λ}}_c}{V}_F$

式中：V_FC为待测LED芯片/晶圆/外延片PN结的正向偏置电压，

      V_F为参照样品PN结的正向偏置电压，

      λ_y为测量到的参照样品PN结的致发光中心波长，

      λ_c为测量到的待测LED芯片/晶圆/外延片PN结的光致发光中心波长；

(5)调节可控激励光强度P_m，0，重复步骤(1)、(2)、(3)和(4)即可得到待测LED芯片/晶圆/外延片PN结的V-I特性；

(6)为更为准确的测量结果，可从不同的方向和角度测量参照样品PN结的光致发光强度P_out，0和光致发光中心波长λ_y和同样条件下待测器件PN结的光致发光强度P_out，x和光致发光中心波长λ_c，根据步骤(3)、(4)计算待测LED芯片/晶圆/外延片PN结的正向电流I_F，x和正向偏置电压V_FC，取其平均值或加权平均值；

(7)重复步骤(1)至(6)逐个检测待测LED晶圆/外延片上的PN结，即可实现对LED晶圆/外延片上LED阵列的检测。

一种基于LED芯片/晶圆/外延片的非接触式检测方法的检测装置，该检测装置包括：检测控制和信号处理单元、光源单元、测试台、光检测单元，其中，检测控制和信号处理单元控制光源单元发出激励光并对光检测单元传来的信号进行处理、分析，光检测单元采集光信号并传给检测控制和信号处理单元，测试台用于夹持/移动待测器件、支承光检测单元。

所述的检测控制和信号处理单元包括：CPU、结果显示单元、光源激励信号产生电路、光源驱动电路，其中，CPU的输入端与光检测单元输出端通信连接，CPU的输出端分别与光源激励信号产生电路、结果显示单元的输入端通信连接；光源激励信号产生电路的输出端与光源驱动电路的输入端通信连接，光源激励信号产生电路驱动光源单元。

所述光源单元包括：光源、汇聚透镜一，光源和汇聚透镜一光路连接。

所述的测试台包括：平台、支承装置、导轨、传动装置一、装夹、步进电机一，其中，导轨、装夹固定在平台上，装夹用于夹持待测器件，支承装置固定在传动装置一上并与光检测单元机械连接，步进电机一驱动传动装置在导轨上滑动。

所述的测试台还与一扫描台固定连接，扫描台外接有步进电机二、传动装置二，其中，步进电机二驱动传动装置二，传动装置二带动扫描台移动，扫描台带动测试台移动，使装夹和测试台间位置可相对静止或运动，用于LED晶圆/外延片上LED阵列的检测。

所述的光检测单元包括：滤色片、汇聚透镜二、光检测装置，其中，滤色片、汇聚透镜二、光检测装置三者光路连接，滤色片滤除反射光仅保留待测器件的光致发光，汇聚透镜二将经滤色片过滤后的光汇聚到光检测装置的光输入端。

本发明的有益技术效果是：同时实现对LED芯片/晶圆/外延片的发光特性和电特性的非接触、无损检测，把LED产品的检测和筛选由“成品”环节推进到“芯片”环节，降低了LED的成本。

附图说明

图1，本发明的实施例1装置结构示意图；

图2，实施例1中检测控制和信号处理单元的信号流程图；

图3，本发明的装置选用的光源驱动电路；

图4，本发明的实施例2装置结构示意图；

图5，实施例2中检测控制和信号处理单元的信号流程图；

图6，实施例2中步进电机驱动电路的一种实施电路；

图7，本发明的实施例3装置结构示意图；

图8，实施例3中检测控制和信号处理单元的信号流程图；

附图中：检测控制和信号处理单元1、光源单元2、光源2-1、汇聚透镜一2-2、测试台3、平台3-1、支承装置3-2、导轨3-3、传动装置一3-4、装夹3-5、步进电机一3-6、光检测单元4、滤色片4-1、汇聚透镜二4-2、光检测装置4-3、扫描台5、步进电机二6、传动装置二7、待测器件8。

具体实施方式

无论使用哪种激发方式，LED的发光机理都是一样的，LED的发光特性只取决于LED材料本身特性及器件的物理结构，与产生过剩载流子的源无关，因此光激励的光致发光谱和和电激励的电致发光谱存在一致性，通过检测LED的光致发光光谱就可以获得LED的发光特性，包括峰值波长，半高宽等。

由于电致发光是电-光能量转换的过程，而光致发光是光-电，电-光二次能量转换的结果，即光致发光实际上包含了电致发光的过程，因此根据测得的光致发光光谱也可以获得LED芯片的电特性，包括正向工作电流I_F、正向工作电压V_F，及V-I特性等。

外量子效率η_e是LED的一个非常重要的参数，它被定义为单位时间内发射到外部的光子数与单位时间内注入的电子空穴对数的比值，由此可以得出

${\mathrm{\η}}_e=\frac{P_{\mathrm{out}}}{n_{\mathrm{in}}}$

式中，P_out表示发射到LED外部的光子数，n_in表示注入到LED内部的电子空穴对数。η_e的大小只跟LED的材质和内部结构有关，而与注入的方式无关，即对于同一LED，无论是光注入还是电注入，其表现出来的外量子效率是相同的。那么对于光致发光，有

${\mathrm{\η}}_e=\frac{P_{\mathrm{out}}}{n_{\mathrm{in}}}=\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}\mathrm{\α\β}}$

式中，P_in表示入射的光子数，α表示光的吸收率，β表示每吸收一个光子产生的电子空穴对数，一般取β＝1；另一方面，对于电致发光有

${\mathrm{\η}}_e=\frac{P_{\mathrm{out}}}{n_{\mathrm{in}}}=\frac{P_{\mathrm{out}}}{I_{F}q}$

式中，q表不电子电荷。

利用以上的关系，我们采用以下的方法来对LED芯片/晶圆/外延片的发光特性和电特性进行检测：

(1)在光强为P_in，0的可控激励光光照下测量参照样品PN结的光致发光强度P_out，0和光致发光中心波长λ_y，该参照样品的正向电流与发光强度的关系曲线(I_F-P_out特性)为已知；

(2)在同样光强为P_in，0的可控激励光光照及同样条件下测量待测器件8PN结的光致发光强度P_out，x和光致发光中心波长λ_c；

(3)根据下式计算待测器件8PN结的正向电流：

$I_{F,x}=\frac{P_{\mathrm{out},0}}{P_{\mathrm{out},x}}{I}_F$

式中：I_F，x为待测LED芯片/晶圆/外延片PN结的正向电流；

      P_out，0为测量到的参照样品PN结的光致发光强度；

      P_out，x为测量到的待测LED芯片/晶圆/外延片的PN结的光致发光强度；

      I_F为参照样品PN结的正向电流；

(4)根据下式计算待测器件8PN结的正向偏置电压V_FC：

$V_{\mathrm{FC}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_y}{{\mathrm{\λ}}_c}{V}_F$

式中：V_FC为待测LED芯片/晶圆/外延片PN结的正向偏置电压，

      V_F为参照样品PN结的正向偏置电压，

      λ_y为测量到的参照样品PN结的致发光中心波长，

      λ_c为测量到的待测LED芯片/晶圆/外延片PN结的光致发光中心波长；

(5)调节可控激励光强度P_in，0，重复步骤(1)、(2)、(3)和(4)即可得到待测LED芯片/晶圆/外延片PN结的V-I特性；

(6)为更为准确的测量结果，可从不同的方向和角度测量参照样品PN结的光致发光强度P_out，0和光致发光中心波长λ_y和同样条件下待测器件8PN结的光致发光强度P_out，x和光致发光中心波长λ_c，根据步骤(3)、(4)计算待测LED芯片/晶圆/外延片PN结的正向电流I_F，x和正向偏置电压V_FC，取其平均值或加权平均值；

(7)重复步骤(1)至(6)逐个检测待测LED晶圆/外延片上的PN结，即可实现对LED晶圆/外延片上LED阵列的检测。

实施例1：

参见附图1，该检测装置包括：检测控制和信号处理单元1、光源单元2、测试台3、光检测单元4，其中，检测控制和信号处理单元1控制光源单元2发出激励光并对光检测单元4传来的信号进行处理、分析，光检测单元4采集光信号并传给检测控制和信号处理单元1，测试台3用于夹持/移动待测器件8、支承光检测单元4。

参见附图2，其中，检测控制和信号处理单元1包括：CPU、结果显示单元、光源激励信号产生电路、光源驱动电路，其中，CPU的输入端与光检测单元4输出端通信连接，CPU的输出端分别与光源激励信号产生电路、结果显示单元的输入端通信连接；光源激励信号产生电路的输出端与光源驱动电路的输入端通信连接，光源激励信号产生电路驱动光源单元2；附图3所示光源驱动电路为本发明采用的实施电路，也可采用其它常规电路来实现；光源激励信号产生电路也是采用的现有常规电路。

光源单元2包括：光源2-1、汇聚透镜一2-2，光源和汇聚透镜一2-2光路连接。

光检测单元4包括：滤色片4-1、汇聚透镜二4-2、光检测装置4-3，其中，滤色片4-1、汇聚透镜二4-2、光检测装置4-3三者光路连接，滤色片4-1滤除反射光仅保留待测器件8的光致发光，汇聚透镜二4-2将经滤色片4-1过滤后的光汇聚到光检测装置4-3的光输入端。

工作时，检测控制和信号分析处理单元1中的光源激励信号产生电路产生激励信号，并通过光源驱动电路驱动光源单元2的光源2-1发出激励光；激励光经过汇聚透镜一2-2汇聚以后照射到待测器件8的PN结区域，大部分光束照射在待测器件8上成为反射光，另一部分光被待测器件8吸收并在PN结处产生光致发光；反射光和待测器件8的光致发光经过滤色片4-1，滤色片4-1将大部分反射光滤除；自发光被汇聚透镜二4-2汇聚至光检测装置4-3，光检测装置4-3将检测信号送入检测控制和信号采集处理单元1中，对检测信号进行分析来实现对LED芯片/晶圆/外延片发光特性和电特性的检测。

实施例2：

参见附图4，测试台3包括：平台3-1、支承装置3-2、导轨3-3、传动装置一3-4、装夹3-5、步进电机一3-6，其中，导轨3-3、装夹3-5固定在平台3-1上，装夹3-5用于夹持待测器件8，支承装置3-2固定在传动装置一3-4上并与光检测单元4机械连接，步进电机一3-6驱动传动装置3-4在导轨3-3上滑动。

实施例2与实施例1不同之处在于：为了从不同方向检测自发光，光检测单元4，通过支承装置3-2与传动装置一3-4相连，并置于导轨3-3上，检测控制和信号分析处理单元1控制步进电机一3-6带动传动装置一3-4沿导轨3-3运动，这样光检测单元4也沿导轨3-3运动，每运动一步，检测控制和信号分析处理单元1都控制调节光源单元2发出的激励光3的强度，通过采集不同光强激励光下待测器件8的自发光，完成对一个PN结的一次检测，在检测控制和信号分析处理单元1中对采集的检测信号进行分析来实现对LED芯片发光特性和电特性的检测。

参见图5，实施例2中检测控制和信号处理单元的信号流程图，参见图6，本例中步进电机驱动电路的一种实施电路，也可采用现有的其他常规电路。

实施例3：

参见图7，测试台3还与一扫描台5固定连接，扫描台5外接有步进电机二6、传动装置二7，其中，步进电机二6驱动传动装置二7，传动装置二7带动扫描台5移动，扫描台5带动测试台3移动，使装夹3-5和测试台3间位置可相对静止或运动，用于LED晶圆/外延片上LED阵列的检测。

本例与实施例1、2不同之处在于：将测试台3固定在扫描台5上，检测控制和信号分析处理单元1控制步进电机二6通过传动装置二7驱动扫描台5运动，实现对外延片/晶圆上LED阵列的扫描检测。

参见图8，本例中检测控制和信号处理单元的信号流程图。

Claims (9)

1、一种LED芯片/晶圆/外延片的非接触式检测方法，其特征在于：通过检测可控激励光照射下待测器件(8)PN结的光致发光，对LED芯片/晶圆/外延片的发光特性和电特性进行检测。

2、根据权利要求1所述的一种LED芯片/晶圆/外延片的非接触式检测方法，其特征在于：可控激励光包含有波长小于待测LED波长光成分的光源且强度可调。

3、根据权利要求1所述的一种LED芯片/晶圆/外延片的非接触式检测方法，其特征在于：对LED芯片/晶圆/外延片的发光特性和电特性进行检测，包括：

(1)在光强为P_in，0的可控激励光光照下测量参照样品PN结的光致发光强度P_out，0和光致发光中心波长λ_y，该参照样品的正向电流与发光强度的关系曲线(I_F-P_out特性)为已知；

(2)在同样光强为P_in，0的可控激励光光照及同样条件下测量待测器件(8)PN结的光致发光强度P_out，x和光致发光中心波长λ_c；

(3)根据下式计算待测器件(8)PN结的正向电流：

$I_{F,x}=\frac{P_{\mathrm{out},0}}{P_{\mathrm{out},x}}{I}_F$

式中：I_F，x为待测LED芯片/晶圆/外延片PN结的正向电流；

P_out，0为测量到的参照样品PN结的光致发光强度；

P_out，x为测量到的待测LED芯片/晶圆/外延片的PN结的光致发光强度；

I_F为参照样品PN结的正向电流；

(4)根据下式计算待测器件(8)PN结的正向偏置电压V_FC：

$V_{\mathrm{FC}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_y}{{\mathrm{\λ}}_c}{V}_F$

式中：V_FC为待测LED芯片/晶圆/外延片PN结的正向偏置电压，

V_F为参照样品PN结的正向偏置电压，

λ_y为测量到的参照样品PN结的致发光中心波长，

λ_c为测量到的待测LED芯片/晶圆/外延片PN结的光致发光中心波长；

(5)调节可控激励光强度P_in，0，重复步骤(1)、(2)、(3)和(4)即可得到待测LED芯片/晶圆/外延片PN结的V-I特性；

(6)为更为准确的测量结果，可从不同的方向和角度测量参照样品PN结的光致发光强度P_out，0和光致发光中心波长λ_y和同样条件下待测器件(8)PN结的光致发光强度P_out，x和光致发光中心波长λ_c，根据步骤(3)、(4)计算待测LED芯片/晶圆/外延片PN结的正向电流I_F，x和正向偏置电压V_FC，取其平均值或加权平均值；

(7)重复步骤(1)至(6)逐个检测待测LED晶圆/外延片上的PN结，即可实现对LED晶圆/外延片上LED阵列的检测。

4、一种基于LED芯片/晶圆/外延片的非接触式检测方法的检测装置，其特征在于：该检测装置包括：检测控制和信号处理单元(1)、光源单元(2)、测试台(3)、光检测单元(4)，其中，检测控制和信号处理单元(1)控制光源单元(2)发出激励光并对光检测单元(4)传来的信号进行处理、分析，光检测单元(4)采集光信号并传给检测控制和信号处理单元(1)，测试台(3)用于夹持/移动待测器件(8)、支承光检测单元(4)。

5、根据权利要求4所述的基于LED芯片/晶圆/外延片的电特性检测方法的检测装置，其特征在于：所述的检测控制和信号处理单元(1)包括：CPU、结果显示单元、光源激励信号产生电路、光源驱动电路，其中，CPU的输入端与光检测单元(4)输出端通信连接，CPU的输出端分别与光源激励信号产生电路、结果显示单元的输入端通信连接；光源激励信号产生电路的输出端与光源驱动电路的输入端通信连接，光源激励信号产生电路驱动光源单元(2)。

6、根据权利要求4所述的基于LED芯片/晶圆/外延片的电特性检测方法的检测装置，其特征在于：所述光源单元(2)包括：光源(2-1)、汇聚透镜一(2-2)，光源和汇聚透镜一(2-2)光路连接。

7、根据权利要求4所述的基于LED芯片/晶圆/外延片的电特性检测方法的检测装置，其特征在于：所述的测试台(3)包括：平台(3-1)、支承装置(3-2)、导轨(3-3)、传动装置一(3-4)、装夹(3-5)、步进电机一(3-6)，其中，导轨(3-3)、装夹(3-5)固定在平台(3-1)上，装夹(3-5)用于夹持待测器件(8)，支承装置(3-2)固定在传动装置一(3-4)上并与光检测单元(4)机械连接，步进电机一(3-6)驱动传动装置(3-4)在导轨(3-3)上滑动。

8、根据权利要求7所述的基于LED芯片/晶圆/外延片的电特性检测方法的检测装置，其特征在于：所述的测试台(3)还与一扫描台(5)固定连接，扫描台(5)外接有步进电机二(6)、传动装置二(7)，其中，步进电机二(6)驱动传动装置二(7)，传动装置二(7)带动扫描台(5)移动，扫描台(5)带动测试台(3)移动，使装夹(3-5)和测试台(3)间位置可相对静止或运动，用于LED晶圆/外延片上LED阵列的检测。

9、根据权利要求4所述的基于LED芯片/晶圆/外延片的电特性检测方法的检测装置，其特征在于：所述的光检测单元(4)包括：滤色片(4-1)、汇聚透镜二(4-2)、光检测装置(4-3)，其中，滤色片(4-1)、汇聚透镜二(4-2)、光检测装置(4-3)三者光路连接，滤色片(4-1)滤除反射光仅保留待测器件(8)的光致发光，汇聚透镜二(4-2)将经滤色片(4-1)过滤后的光汇聚到光检测装置(4-3)的光输入端。

Images