CN105676099B - 一种基于电学特性判断led器件可靠性的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种基于电学特性判断LED器件可靠性的系统及其方法。由LCR采集模块分别采集标准LED样品和待测LED器件在不同负载下的电学信号，并由光电探测模块分别采集所述标准LED样品和待测LED器件在不同负载下的光学信号，控制处理模块接收的电学信号和光学信号，控制处理模块依照特定的数学模型分别建立标准LED样品以及待测LED器件的光强、负载电压、电导、电容、载流子浓度之间的定量关系，进而分别获得标准LED样品和待测LED器件的光学特性，并比较标准LED样品和待测LED器件的光学特性判断待测LED器件的可靠性。本发明可快速准确评测出LED产品的可靠性，便于改善LED制造过程中关键工艺以提高产品品质。

Description

一种基于电学特性判断LED器件可靠性的系统及其方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种基于电学特性判断LED器件可靠性的系统及其方法。

背景技术

与普通光源相比，发光二极管(Light Emitting Diode简称LED)具有省电、寿命长、光效高、无辐射、无污染等特点，已被广泛的应用于照明领域以及其它领域中。目前很多研究已经证实发光二极管(LED)在老化过程中，将导致芯片、封装、荧光粉区域失效。LED老化实验条件普遍为施加电应力、热应力，由于不同材料热膨胀系数之间差异和缺陷生长，导致LED光通量的衰减，主要的老化机理包括暗点缺陷、金属合金迁移、组分变化等。目前研究分析LED在老化过程内部、外部失效机理主要采用非破坏性和破坏性两种测试方法。非破坏性分析方法是不对样品进行加工处理而获取对确定失效原因有用信息的方法。破坏性分析方法必须通过对样品的开封、剥层，进行样品的制备。破坏性分析方法如：扫描电镜(SEM)，透射电镜(TEM)，能量色散X射线荧光光谱仪(EDX)等。如果不考虑物理失效因素，样品主要失效机理是其几何形状、结构、材料以及环境应力和操作应力的函数，这些应力包括了温度、操作电流、相对湿度、压力和静电以及相关的周期、增减率、瞬态、机械冲击和振动。目前，大功率LED的可靠性是制约半导体照明技术发展的关键问题，如何快速准确检测判定LED可靠性是目前半导体照明行业关注的热点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于电学特性判断LED器件可靠性的系统及其方法。

本发明采用的技术方案是：

本发明公开一种基于电学特性判断LED器件可靠性的系统，其包括标准LED样品、待测LED器件、两个以上的散热器、LCR采集模块、光电探测模块和控制处理模块；所述标准LED样品和待测LED器件分别固定在一个散热器上，所述LCR采集模块的输入端分别连接标准LED样品和待测LED器件，所述光电探测模块的输入端分别连接标准LED样品和待测LED器件，LCR采集模块的输出端和光电探测模块的输出端分别连接控制处理模块的输入端；LCR采集模块分别采集标准LED样品和待测LED器件在不同负载下的电学信号，并将采集的电学信号实时传输到控制处理模块，所述光电探测模块分别采集所述标准LED样品和待测LED器件在不同负载下的光学信号，并将采集的光学信号转为光电探测模块对应的电压响应信号实时传输到控制处理模块；控制处理模块接收的电学信号和电压响应信号，并将电压响应信号换算成为光强信号；控制处理模块分别建立基于标准LED样品的参考数据库和基于待测LED器件的检测数据库，并比较检测数据库与参考数据库进而判断待测LED器件的可靠性。

所述电学信号包括表观电导、表观电容、正向电压和正向电流，所述光学信号为光强信号。

所述不同负载是为在测试电压的范围为2.2V-3.3V，测试电压上附加的负载交流小信号的幅度为50mV，所述负载交流小信号的频率为500Hz～1KHz。

本发明还公开一种基于电学特性判断LED器件可靠性的方法，采用上述一种基于电学特性判断LED器件可靠性的系统，其包括以下步骤：

1)将标准LED样品和待测LED器件分别固定在两个散热器上；

2)通过LCR采集模块测量标准LED样品与待测LED器件的电学信号，并将采集的电学信号实时传输至控制处理模块：

所述LCR采集模块采用并联等效测试电路,在直流电压上叠加50mV交流小信号,LCR采集模块采集分别测试频率为500Hz到1KHz的标准LED样品与待测LED器件的电学信号；

3)利用光电探测模块测试标准LED样品和待测LED器件的光学信号，光电探测模块将光学信号转为光电探测模块对应的电压响应信号，并电压响应信号实时传输至控制处理模块；

4)所述控制处理模块接收电学信号和电压响应信号，并利用光强-电压校准系数，将光电探测模块传输的电压响应信号换算成为光强信号；

5)所述控制处理模块建立标准LED样品和待测LED器件共用的数学模型，分别获得标准LED样品和待测LED器件的电容、电导、电导以及载流子浓度特性：

A)假设PN结二极管的等效电路由结电容C、结电导G和串联电阻r_s组成，则待测LED器件由表观电导G_p和表观电容C_p组成的并联等效电路的数学模型为：

其中G_p为表观电导、C_p为表观电容、C为结电容、G为结电导、r_s为串联电阻、ω为测试时加载交流小信号角频率；

B)根据LED电流传输机理，电导G可由下式表示：

其中I为正向负载电流、n为理想因子、T为结温、Is为反向漏电流、q为电子电荷、k为玻尔兹曼常数；

C)将样品当作N⁺-P突变结简化模型处理，依据半导体物理模型，样品的结电容和样品的内部材料参数的关系如下所示：

其中ε_S为待测样品介电常数，V_bi为内建电势，N_B为轻掺杂区P型载流子浓度；

基于公式(1)-(4)可分别获得标准LED样品和待测LED器件的电容、电导、电导、载流子浓度特性；

6)基于步骤4)和步骤5)所述控制处理模块建立标准LED样品以及待测LED器件的光强、负载电压、电导、电容、载流子浓度之间的定量关系；

7)基于步骤6)获取的光强-电容之间的定量关系和光强-电导之间的定量关系，所述控制处理模块通过测试电容以及电导定量分别获得标准LED样品和待测LED器件的光学特性；

8)将待测LED器件的光学特征与标准LED样品的光学特征作比较，并依据美国能源之星的LED可靠性标准判断待测LED器件的可靠性。

所述步骤1)中的两个所述散热器的基板面积、厚度、肋片和钉柱尺寸、位置参数均相同。

所述步骤1)中散热器标准与LED样品和待测LED器件之间涂抹均匀高热导率界面硅脂。

所述步骤2)中的电学信号包括表观电导、表观电容、正向电压和正向电流。

所述步骤3)中的光电探测模块为LSSPD-U6硅光电探测模块。

所述步骤8)中当待测LED器件工作达到测试时长后，待测LED器件的光强衰减为小于或等于标准LED样品光强值70％时，则判定该待测LED器件的可靠性不满足标准。

本发明采用以上技术方案，由LCR采集模块分别采集标准LED样品和待测LED器件在不同负载下的电学信号，并由光电探测模块分别采集所述标准LED样品和待测LED器件在不同负载下的光学信号，控制处理模块接收的电学信号和光学信号，控制处理模块依照特定的数学模型分别建立标准LED样品以及待测LED器件的光强、负载电压、电导、电容、载流子浓度之间的定量关系，进而分别获得标准LED样品和待测LED器件的光学特性，并比较标准LED样品和待测LED器件的光学特性判断待测LED器件的可靠性。本发明可快速准确评测出LED产品的可靠性，便于改善LED制造过程中关键工艺以提高产品品质。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1本发明的PN结二极管的等效电路；

图2本发明的PN结二极管并联模式的测试电路；

图3本发明的在500Hz,1KHz频率下标准LED样品和待测LED器件的电容-电压曲线；

图4本发明的标准LED样品和待测LED器件的光强-电压曲线；

图5本发明在偏置电压为-3V条件下标准LED样品和待测LED器件的电容-频率曲线；

图6本发明在1KHZ频率下标准LED样品和待测LED器件的电导-电压曲线；

图7本发明的标准LED样品和待测LED器件的电流-电压曲线；

图8本发明的LED可靠性检测判定流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开的一种基于电学特性判断LED器件可靠性的系统，包括标准LED样品、待测LED器件、两个以上的散热器、LCR采集模块、光电探测模块和控制处理模块；所述标准LED样品和待测LED器件分别固定在一个散热器上，所述LCR采集模块的输入端分别连接标准LED样品和待测LED器件，所述光电探测模块的输入端分别连接标准LED样品和待测LED器件，LCR采集模块的输出端和光电探测模块的输出端分别连接控制处理模块的输入端；LCR采集模块分别采集标准LED样品和待测LED器件在不同负载下的电学信号，并将采集的电学信号实时传输到控制处理模块，所述光电探测模块分别采集所述标准LED样品和待测LED器件在不同负载下的光学信号，并将采集的光学信号转为光电探测模块对应的电压响应信号实时传输到控制处理模块；控制处理模块接收的电学信号和电压响应信号，并将电压响应信号换算成为光强信号；控制处理模块分别建立基于标准LED样品的参考数据库和基于待测LED器件的检测数据库，并比较检测数据库与参考数据库进而判断待测LED器件的可靠性。

所述电学信号包括表观电导、表观电容、正向电压和正向电流，所述光学信号为光强信号。

所述不同负载是为在测试电压的范围为2.2V-3.3V，测试电压上附加的负载交流小信号的幅度为50mV，所述负载交流小信号的频率为500Hz～1KHz。

如图2所示，本发明还公开一种基于电学特性判断LED器件可靠性的方法，采用上述的一种基于电学特性判断LED器件可靠性的系统，其包括以下步骤：

1)将标准LED样品和待测LED器件分别固定在两个散热器上；标准LED样品厂家为Cree，产品编号为XREWHT-L1-0000-00C01，待测LED器件与标准LED样品的厂家以及产品编号一致，待测LED器件工作使用一段时间，该例子中，工作使用时间为1000小时。

2)通过LCR采集模块测量标准LED样品与待测LED器件的电学信号，并将采集的电学信号实时传输至控制处理模块：利用数据采集卡，RS232数据线，实时传输采集的电学信号数据。

所述LCR采集模块采用并联等效测试电路,在直流电压上叠加50mV交流小信号,LCR采集模块采集分别测试频率为500Hz到1KHz的标准LED样品与待测LED器件的电学信号；

3)利用光电探测模块测试标准LED样品和待测LED器件的光学信号，光电探测模块将光学信号转为光电探测模块对应的电压响应信号，并电压响应信号实时传输至控制处理模块；

具体地，利用数据采集卡，RS232数据线，将光电探测模块电压响应信号实时传输到控制处理模块；

4)所述控制处理模块接收电学信号和电压响应信号，并利用光强-电压校准系数，将光电探测模块传输的电压响应信号换算成为光强信号；

5)所述控制处理模块建立标准LED样品和待测LED器件共用的数学模型，分别获得标准LED样品和待测LED器件的电容、电导、电导以及载流子浓度特性：

A)假设PN结二极管的等效电路由结电容C、结电导G和串联电阻r_s组成，则待测LED器件由表观电导G_p和表观电容C_p组成的并联等效电路的数学模型为：

其中G_p为表观电导、C_p为表观电容、C为结电容、G为结电导、r_s为串联电阻、ω为测试时加载交流小信号角频率；

B)根据LED电流传输机理，电导G可由下式表示：

其中I为正向负载电流、n为理想因子、T为结温、Is为反向漏电流、q为电子电荷、k为玻尔兹曼常数；

C)将样品当作N⁺-P突变结简化模型处理，依据半导体物理模型，样品的结电容和样品的内部材料参数的关系如下所示：

其中ε_S为待测样品介电常数，V_bi为内建电势，N_B为轻掺杂区P型载流子浓度；

基于公式(1)-(4)可分别获得标准LED样品和待测LED器件的电容、电导、电导、载流子浓度特性；

6)基于步骤4)和步骤5)所述控制处理模块建立标准LED样品以及待测LED器件的光强、负载电压、电导、电容、载流子浓度之间的定量关系；

7)基于步骤6)获取的光强-电容之间的定量关系和光强-电导之间的定量关系，所述控制处理模块通过测试电容以及电导定量分别获得标准LED样品和待测LED器件的光学特性；

8)将待测LED器件的光学特征与标准LED样品的光学特征作比较，并依据美国能源之星的LED可靠性标准判断待测LED器件的可靠性。

所述步骤1)中的两个所述散热器的基板面积、厚度、肋片和钉柱尺寸、位置参数均相同。

所述步骤1)中散热器标准与LED样品和待测LED器件之间涂抹均匀高热导率界面硅脂。

所述步骤2)中的电学信号包括表观电导、表观电容、正向电压和正向电流。测量标准LED样品与待测LED器件表观电导Gp和表观电容Cp使用的仪器是HP4284A LCR Meter,采用并联等效测试电路。测试时在直流电压上叠加50mV交流小信号,测试频率为500Hz到1KHz。

所述步骤3)中的光电探测模块为LSSPD-U6硅光电探测模块。

所述步骤8)中当待测LED器件工作达到测试时长后，待测LED器件的光强衰减为小于或等于标准LED样品光强值70％时，则判定该待测LED器件的可靠性不满足标准。

下面详细阐述本发明的技术原理：

如图3为本发明中待测LED器件等效电路，包括结电容、结电导、串联电阻。图4为本发明LCR测试时所采用的并联等效电路，其中G_P为表观电导，C_P为表观电容。其中结电容、结电导与表观电容、表观电导之间的转换关系如下所示

其中C为结电容、G为结电导、r_s为串联电阻、ω为测试时加载交流小信号角频率。

利用LCR Meter并联等效测试电路测量表观电导G_P和表观电容C_P。测试过程在直流偏压上叠加50mV交流小信号，测试频率范围从500Hz、1KHz。

图5为标准LED样品和待测LED器件在500Hz,1KHz频率下的电容-电压特性。当LED负载高电压到某一阈值，电容表现为负值。随着频率降低、电压增大，负电容现象就越明显。当频率为500Hz时，正向偏压大于2.2V情况下，标准LED样品和待测LED器件都不同程度的出现负电容现象，且待测LED器件负电容增大速率小于标准LED样品。图5所示，频率增至1KHz时，标准LED样品电容随电压增大而增大，当电压增至2.4V时，电容达到极大值，随后开始下降，电压增至3V时，电容呈现负值；待测LED器件正向偏压增至2.8V时，电容才达到极大值。运用强复合模型理论解释标准LED样品和待测LED器件负电容变化情况，随着正向电压增大，注入载流子越来越多，非辐射复合通道区域饱和，此时电流传输机制主要以辐射复合占主导，辐射复合迅速增强。因此总电容可看作没有复合情况下的扩散电容C_d、耗尽层电容C_t和辐射复合引起的电容C_r的代数和。当正向电压增大到一定值后开始出现较强的复合发光，此时电容变为负值。在此过程中某段时间内复合掉的载流子△Q_r大于注入的载流子△Q_d，引起发光有源区注入载流子总量为负增长，使得电容值也变为负值。经过老化之后由于受主浓度降低，辐射复合率降低，出现大量缺陷以及非辐射复合中心，对载流子有较强俘获作用，因此待测LED器件负电容小于标准LED样品。在LED样品老化过程中，在半导体与电极金属之间发生金属合金扩散，由于电子迁移以及金属之间反应在界面层区域可观察到空洞形成以及品须生长，欧姆接触变大，致使电流拥挤效应更加明显，接触电阻增大，产生辐射复合阈值电压增大。因此待测LED器件的电容极大值以及负电容阈值电压都高于标准LED样品，进而可判断待测LED器件可靠性。

经过老化之后LED样品内部结构都将不同程度劣化，势必引起光输出特性变化。标准LED样品和待测LED器件正向偏压与输出光强的关系如图6所示。

标准LED样品和待测LED器件发光时的阈值电压与图3中产生负电容的阈值电压基本一致，再次说明负电容与复合发光存在紧密的联系。在相同电压下，待测LED器件的光通量明显下降，说明在注入相同载流子数量情况下，待测LED器件发生辐射复合载流子数量降低，再次说明待测LED器件的负电容降低。通过电容-电压以及光强-电压实验论证，依据强复合模型理论能够合理解释老化前后负电容产生以及变化现象。

图7为在偏置电压为-3V条件下，标准LED样品和待测LED器件的电容与频率关系。随着频率升高，电容降低，且老化后样管电容下降趋势更为明显。在反向偏压时，PN结电容大小主要由耗尽层电容决定，将待测样品当作N⁺-P突变结简化模型处理。如公式(3)所示，ε_S为待测样品介电常数，V_bi为内建电势，N_B为轻掺杂区P型载流子浓度。经过老化之后，出现较多螺旋位错，产生漏电通道以及施主缺陷N空位形成增多，而Mg-H浓度较低制约受主浓度的增加，从而使非辐射复合中心增加，使得电容降低。

图8为在1KHz频率下，标准LED样品和待测LED器件的电导与电压的关系。标准LED样品和待测LED器件处于反向偏压以及小正向偏压情况下，存在一个很小的电导分量，当正向偏压大于2.2V，电导开始急剧增大。依据图7中电流-电压曲线斜率变化趋势，标准LED样品和待测LED器件在反向偏压和低正向偏压范围内，电流传输机制以隧穿电流为主；在正向偏压小于2.2V时，正向电流主要以隧穿电流以及扩散-复合电流为主，扩散-复合电流随正向偏压增加而呈指数增加。如图7所示，当加载电压大于2.2V时，标准LED样品和待测LED器件电流开始成指数迅速递增。待测LED器件，串联电阻增大，在相同偏压条件下，待测LED器件电流变化比标准LED样品小，所以待测LED器件电导变小。而在反向偏压以及小正向偏压下，经过老化之后隧穿电流增大，从而可说明老化之后电导增大的实验现象。通过上述分析，基于电导特性说明LED的老化机理变化。

基于上述测试分析标准LED样品的电容、电导、负电容阈值电压、串联电阻、理想因子、光强，作为控制处理模块的参考数据，同时对待测LED器件也进行可靠性测试，流程图见图8所示，并与标准LED样品的参考数据进行标定，若偏离在某个数据范围内(该范围由厂家自行设定)，则认为该待测LED器件可靠性在厂家要求内，若偏离在这个数据范围之外，则判定该待测LED器件的可靠性达不到厂家要求。本实施例中依据美国能源之间的LED可靠性标准判断待测样品LED可靠性，如果待测样品工作一段时间之后其光强衰减为标准LED样品光强值70％，则可以判定该待测样品可靠性在厂家所要求的标准之下。

本发明采用以上技术方案，由LCR采集模块分别采集标准LED样品和待测LED器件在不同负载下的电学信号，并由光电探测模块分别采集所述标准LED样品和待测LED器件在不同负载下的光学信号，控制处理模块接收的电学信号和光学信号，控制处理模块依照特定的数学模型分别建立标准LED样品以及待测LED器件的光强、负载电压、电导、电容、载流子浓度之间的定量关系，进而分别获得标准LED样品和待测LED器件的光学特性，并比较标准LED样品和待测LED器件的光学特性判断待测LED器件的可靠性。本发明可快速准确评测出LED产品的可靠性，便于改善LED制造过程中关键工艺以提高产品品质。

Claims (8)

1.一种基于电学特性判断LED器件可靠性的方法，该方法所采用的系统包括标准LED样品、待测LED器件、两个以上的散热器、LCR采集模块、光电探测模块和控制处理模块；所述标准LED样品和待测LED器件分别固定在一个散热器上，所述LCR采集模块的输入端分别连接标准LED样品和待测LED器件，所述光电探测模块的输入端分别连接标准LED样品和待测LED器件，LCR采集模块的输出端和光电探测模块的输出端分别连接控制处理模块的输入端；LCR采集模块分别采集标准LED样品和待测LED器件在不同负载下的电学信号，并将采集的电学信号实时传输到控制处理模块，所述光电探测模块分别采集所述标准LED样品和待测LED器件在不同负载下的光学信号，并将采集的光学信号转为光电探测模块对应的电压响应信号实时传输到控制处理模块；控制处理模块接收的电学信号和电压响应信号，并将电压响应信号换算成为光强信号；控制处理模块分别建立基于标准LED样品的参考数据库和基于待测LED器件的检测数据库，并比较检测数据库与参考数据库进而判断待测LED器件的可靠性；其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)将标准LED样品和待测LED器件分别固定在两个散热器上；

2)通过LCR采集模块测量标准LED样品与待测LED器件的电学信号，并将采集的电学信号实时传输至控制处理模块：

所述LCR采集模块采用并联等效测试电路,在直流电压上叠加50mV交流小信号,LCR采集模块采集分别测试频率为500Hz到1KHz的标准LED样品与待测LED器件的电学信号；

3)利用光电探测模块测试标准LED样品和待测LED器件的光学信号，光电探测模块将光学信号转为光电探测模块对应的电压响应信号，并电压响应信号实时传输至控制处理模块；

4)所述控制处理模块接收电学信号和电压响应信号，并利用光强-电压校准系数，将光电探测模块传输的电压响应信号换算成为光强信号；

5)所述控制处理模块建立标准LED样品和待测LED器件共用的数学模型，分别获得标准LED样品和待测LED器件的电容、电导、电导以及载流子浓度特性：

A)假设PN结二极管的等效电路由结电容C、结电导G和串联电阻r_s组成，则待测LED器件由表观电导G_p和表观电容C_p组成的并联等效电路的数学模型为：

其中G_p为表观电导、C_p为表观电容、C为结电容、G为结电导、r_s为串联电阻、ω为测试时加载交流小信号角频率；

B)根据LED电流传输机理，电导G可由下式表示：

其中I为正向负载电流、n为理想因子、T为结温、Is为反向漏电流、q为电子电荷、k为玻尔兹曼常数，V为LED正向电压；

C)将样品当作N⁺-P突变结简化模型处理，依据半导体物理模型，样品的结电容和样品的内部材料参数的关系如下所示：

其中ε_S为待测样品介电常数，V_bi为内建电势，N_B为轻掺杂区P型载流子浓度，V为LED正向电压；

基于公式(1)-(4)可分别获得标准LED样品和待测LED器件的电容、电导、电导、载流子浓度特性；

6)基于步骤4)和步骤5)所述控制处理模块建立标准LED样品以及待测LED器件的光强、负载电压、电导、电容、载流子浓度之间的定量关系；

7)基于步骤6)获取的光强-电容之间的定量关系和光强-电导之间的定量关系，所述控制处理模块通过测试电容以及电导定量分别获得标准LED样品和待测LED器件的光学特性；

8)将待测LED器件的光学特征与标准LED样品的光学特征作比较，并依据美国能源之星的LED可靠性标准判断待测LED器件的可靠性。

2.根据权利要求1所述一种基于电学特性判断LED器件可靠性的方法，其特征在于：所述电学信号包括表观电导、表观电容、正向电压和正向电流，所述光学信号为光强信号。

3.根据权利要求1所述一种基于电学特性判断LED器件可靠性的方法，其特征在于：所述不同负载是为在测试电压的范围为2.2V-3.3V，测试电压上附加的负载交流小信号的幅度为50mV，所述负载交流小信号的频率为500Hz～1KHz。

4.根据权利要求1所述的一种基于电学特性判断LED器件可靠性的方法，其特征在于：所述步骤1)中的两个所述散热器的基板面积、厚度、肋片和钉柱尺寸、位置参数均相同。

5.根据权利要求1所述一种基于电学特性判断LED器件可靠性的方法，其特征在于：所述步骤1)中散热器标准与LED样品和待测LED器件之间涂抹均匀高热导率界面硅脂。

6.根据权利要求1所述的一种基于电学特性判断LED器件可靠性的方法，其特征在于：所述步骤2)中的电学信号包括表观电导、表观电容、正向电压和正向电流。

7.根据权利要求1所述的一种基于电学特性判断LED器件可靠性的方法，其特征在于：所述步骤3)中的光电探测模块为LSSPD-U6硅光电探测模块。

8.根据权利要求1所述的一种基于电学特性判断LED器件可靠性的方法，其特征在于：所述步骤8)中当待测LED器件工作达到测试时长后，待测LED器件的光强衰减为小于或等于标准LED样品光强值70％时，则判定该待测LED器件的可靠性不满足标准。