CN113237639B - 一种光二极管的测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光二极管的测试装置，其包括激发模块，包括光源组件、斩波器、聚焦消色差透镜和函数发生器；信号收集模块，包括两个信号通道、处理器和用于承载待测器件的样品台，所述两个信号通道沿待测器件空间对称，所述两个信号通道中均包括信号收集组件。本发明光二极管的测试装置针对现有电致吸收光谱技术无法在正向偏压下测量光二极管的问题，通过在信号收集模块中引入平衡差分测量从而成功避免了光二极管电致发光对测试信号的干扰，从而成功实现在光二极管正向偏置情况下的电致吸收光谱测量。并为研究主动式电致发光器件的内部局域电场、内建电场和衰减机理等问题提供了有效地表征手段，具有重要实用价值。

Description

一种光二极管的测试装置
技术领域
本发明涉及发光测试技术领域，特别涉及一种光二极管的测试装置。
背景技术
信息产业中的显示工业不断进行技术革新。最初被广泛应用的阴极射线管(CRT)技术在上世纪末被以液晶显示(LCD)技术为代表的平面显示技术所取代。进入新世纪以来，基于半导体发光二极管(LED)的主动显示技术因其总体更优的显示画质，正逐渐挤占液晶显示的市场份额。此外，随着发光材料的不断革新，LED技术有望成为下一代主力显示技术。
LED处在正向偏压导通状态时会产生电致发光。传统的基于III-V化合物的LED通常采用多层异质结结构，其中n型掺杂区域负责注入电子，p型掺杂区域负责注入空穴。电子-空穴在发光层中相遇产生光子。对于新型的薄膜LED而言，器件的多层结构通常表述为阳极、空穴传输层(HTL)、发光层(EML)、电子传输层(ETL)和阴极。采用这类结构的LED包括有机发光二极管(OLED)、量子点发光二极管(QLED)和钙钛矿发光二极管(PLED)等。当在器件的两端电极施加一定的正向偏压时，由阳极注入并经HTL传输的空穴和由阴极注入并经ETL传输的电子在EML相遇而后产生辐射复合。此时注入的电子-空穴对在发光材料内形成激子，产生辐射复合。
在这些LED中，可能存在显著的载流子注入不平衡问题。这会导致器件中的空间电荷积累，并最终在EML、HTL、ETL以及各功能层界面形成额外的电势损耗，从而影响LED的正常工作。以QLED为例，蓝光QLED的工况寿命远小于红光与绿光器件，该问题对于QLED全彩显示的产业化进程产生了阻碍。学术界和工业界普遍认为亟需研究QLED中各功能层的实际工况下的内电场分布情况并解释器件的衰减机理。为了实现该目标，开发一种适合在LED实际工况下使用的内部电场表征装置显得十分重要。
电致吸收光谱作为一种调制光谱技术，是一种可以无损表征器件内部发光层材料光电性质的测试手段。由于属于调制光谱技术，它拥有比常规线形光谱(如普通的吸收、反射谱)技术更强大的信噪比和解析半导体材料电子结构的能力。已知半导体材料的吸收和反射特性会因外加电场产生微扰。在目前LED普遍采用的测试中，LED通常被首先施加一个直流反向偏压(Vdc)以防止电荷注入导致电致发光从而干扰测试。在直流偏压的基础上再叠加一个交流偏压(Vacsinwt)从而调制所测功能层材料的光学常数。与此同时，一束波长合适的单色光被LED中某一功能层吸收。根据斯塔克效应，外加调制电场导致的透射谱或反射谱的微扰变化(ΔT/T或ΔR/R)与该功能的局部瞬时电场E(t)成平方关系(即ΔT/T或ΔR/R-[E(t)]2)。因此，我们可以利用电致吸收信号的强度来衡量各功能层中内部局域电场。在进一步采用锁相放大技术测量的ΔT或ΔR过程中，如果设置参考频率和交流调制偏压具有相同的频率ω(即一次谐波测量)，则信号强度与内部直流电场呈线性关系(ΔT-Vdc)。因此，我们可以依此研究各功能层的内部电场。
虽然以上所述的测试装备可以实现反向偏压下的测量，但是在正向偏压大于LED注入势的情况下(即LED的实际工况下)会因为电致发光信号干扰而无法测量。这大大限制了电致吸收光谱在光二极管器件表征中的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种实现在光二极管正向偏置情况下的电致吸收光谱测量、测量精度高的光二极管的测试装置。
为了解决上述问题，本发明提供了一种光二极管的测试装置，其包括：
激发模块，包括光源组件、斩波器、聚焦消色差透镜和函数发生器；
信号收集模块，包括两个信号通道、处理器和用于承载待测器件的样品台，所述两个信号通道沿待测器件空间对称，所述两个信号通道中均包括信号收集组件；
当测量器件在未施加电场下的反射或透射信号时，所述光源组件产生的单色光经过斩波器调制后由聚焦消色差透镜入射至待测器件，反射或透射光由其中一个信号通道进入处理器，由所述处理器处理得到待测器件在未施加电场下的反射信号或透射信号；
当测量器件在工作状态下外部调制电场导致的反射或透射信号微扰时，所述光源组件产生的单色光经过聚焦消色差透镜后入射至待测器件，所述函数发生器向待测器件施加直流与交流叠加的偏压，其中一信号通道收集电致发光强度信号和电致吸收信号，另一信号通道收集电致发光强度信号，由所述处理器处理得到待测器件在外部调制电场导致的反射或透射信号微扰，并结合在未施加电场下的反射信号或透射信号得到在反射或透射模式下的电致吸收光谱信号。
作为本发明的进一步改进，当测量器件在工作状态下的电致吸收信号随直流偏压的变化时，根据得到的电致吸收光谱信号，选取其中一功能层的吸收峰值作为探测波长，并设定激发模块输出这一单色波长，使所述函数发生器依次输出线性变化的直流偏压以实现对器件的直流偏压扫描，所述处理器依次获得不同直流偏压下的电致吸收信号值。
作为本发明的进一步改进，所述信号收集组件包括光电探测器、电流放大器和锁相放大器，所述光电探测器收集的信号经过所述电流放大器放大后输入锁相放大器，所述锁相放大器输出的直流信号由处理器进行模数转换。
作为本发明的进一步改进，所述信号收集组件还包括辅助光电探测器进行电致发光信号测量的光强亮度显示部件。
作为本发明的进一步改进，所述光强亮度显示部件为亮度计或光纤光谱仪。
作为本发明的进一步改进，还包括圆形轨道，所述光电探测器装配于所述圆形轨道上，待测器件位于过圆形轨道的圆心且与圆形轨道所在面垂直的直线上。
作为本发明的进一步改进，所述圆形轨道为圆形微米电动轨道。
作为本发明的进一步改进，所述斩波器的斩波频率为锁相放大器的参考频率。
作为本发明的进一步改进，所述光源组件包括宽带光源、聚焦透镜组、可调狭缝、单色仪、电动狭缝、滤光轮，所述宽带光源产生的光依次经过聚焦透镜组、可调狭缝、单色仪、电动狭缝、滤光轮后形成波长可调的单色光。
作为本发明的进一步改进，所述宽带光源为氙灯。
本发明的有益效果：
本发明光二极管的测试装置针对现有电致吸收光谱技术无法在正向偏压下测量光二极管的问题，通过在信号收集模块中引入平衡差分测量从而成功避免了光二极管电致发光对测试信号的干扰，从而成功实现在光二极管正向偏置情况下的电致吸收光谱测量。并为研究主动式电致发光器件的内部局域电场、内建电场和衰减机理等问题提供了有效地表征手段，具有重要实用价值。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明优选实施例中光二极管的测试装置的结构示意图；
图2是本发明优选实施例中反射模式下的平衡差分模式测量时的位置示意图；
图3是本发明优选实施例中透射模式下的平衡差分模式测量时的位置示意图；
图4是本发明优选实施例中红光QLED器件的电致吸收光谱信号图；
图5是本发明优选实施例中差分模式和非差分模式下电致吸收光谱强度随直流反向偏压的变化趋势图。
标记说明：1、宽带光源；2、聚焦透镜组；3、可调狭缝；4、单色仪；5、电动狭缝；6、滤光轮；7、第一锁相放大器；8、第一电流放大器；9、函数发生器；10、斩波器；11、聚焦消色差透镜；12、圆形轨道；13、第一光电探测器；14、第一亮度计；15、样品台；16、第二光电探测器；17、第二亮度计；18、第二锁相放大器；19、第二电流放大器；20、处理器；21、待测器件；22、入射光束；23、出射路径。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明优选实施例中的光二极管的测试装置，该光二极管的测试装置包括激发模块和信号收集模块。
激发模块包括光源组件、函数发生器9、斩波器10和聚焦消色差透镜11；信号收集模块包括两个信号通道、处理器20和用于承载待测器件21的样品台15，所述两个信号通道沿待测器件21空间对称，所述两个信号通道中均包括信号收集组件。
当测量器件在未施加电场下的反射或透射信号时，所述光源组件产生的单色光经过斩波器10调制后由聚焦消色差透镜11入射至待测器件21，反射或透射光由其中一个信号通道进入处理器20，由所述处理器20处理得到待测器件在未施加电场下的反射信号或透射信号。
当测量器件在工作状态下外部调制电场导致的反射或透射信号微扰时，所述光源组件产生的单色光经过聚焦消色差透镜11后入射至待测器件21，所述函数发生器9向待测器件21施加直流与交流叠加的偏压，其中一信号通道收集电致发光强度信号和电致吸收信号，另一信号通道收集电致发光强度信号，由所述处理器20处理得到待测器件21在外部调制电场导致的反射或透射信号微扰，并结合在未施加电场下的反射信号或透射信号得到在反射或透射模式下的电致吸收光谱信号。
可选的，所述信号收集组件包括光电探测器、电流放大器和锁相放大器，所述光电探测器收集的信号经过所述电流放大器放大后输入锁相放大器，所述锁相放大器输出的直流信号由处理器20进行模数转换。
在本实施例中，直流与交流叠加的偏压Vt＝Vdc+Vacsinωt，其中ω为交流分量的频率。锁相放大器的参考频率采用函数发生器9输出的交流分量频率ω。
如图2-3所示，在本实施例中，其中一信号收集组件包括第一光电探测器13、第一电流放大器8和第一锁相放大器7；另一信号收集组件包括第二光电探测器16、第二电流放大器19和第二锁相放大器18。
可选的，所述信号收集组件还包括辅助光电探测器进行电致发光信号测量的光强亮度显示部件。进一步的，光强亮度显示部件为亮度计或光纤光谱仪。在本实施例中，两个信号收集组件中光强亮度显示部件分别为第一亮度计14和第二亮度计17。测试前，通过第一亮度计14和第二亮度计17进行位置校准，当第一亮度计14和第二亮度计17的亮度数值相同时，此时第一光电探测器13和第二光电探测器16的数值也应相等，即两个信号探测通道可以接收到强度相等的电致发光信号。进一步的，第一亮度计14装配在第一光电探测器13上，第二亮度计17装配在第二光电探测器16上。
在本实施例中，该测试装置还包括圆形轨道12，所述光电探测器装配于所述圆形轨道12上，待测器件21位于过圆形轨道12的圆心且与圆形轨道12所在面垂直的直线上。进一步的，所述圆形轨道12为圆形微米电动轨道。调整圆形微米电动轨道的位置使两个光电探测器到待测器件所在平面中心点的距离相等，且两个光电探测器各自的感光平面的中心法线都经过待测器件所在平面区域中心，且两个光电探测器各自的感光平面的中心法线与待测器件所在平面的法线的夹角(
Figure BDA0003139281860000061
和
Figure BDA0003139281860000062
)相等，参照图2和3，两个光电探测器中有且只有一个处于入射光束22的出射路径23中。
在本实施例中，所述斩波器10的斩波频率为锁相放大器的参考频率。第二锁相放大器18在参考频率ω下输出直流信号Aout，第一锁相放大器7在相同的参考频率ω下输出直流信号Bout，反射模式下测得的反射信号微扰为ΔR(λ)＝Aout-Bout，透射模式下测得的透射信号微扰为ΔT(λ)＝Aout-Bout。最终，在反射模式下测得的电致吸收光谱信号为ΔR(λ)/R。在透射模式下测得的电致吸收光谱信号为ΔT(λ)/T。在实际工况下，进一步可分析光二极管中各功能层在连续工况下内部电场的变化趋势。
在本实施例中，当测量器件在工作状态下的电致吸收信号随直流偏压的变化时，根据得到的电致吸收光谱信号，选取其中一功能层的吸收峰值作为探测波长，并设定激发模块输出这一单色波长，使所述函数发生器9依次输出线性变化的直流偏压Vdc以实现对器件的直流偏压扫描，所述处理器20依次获得不同直流偏压Vdc下的电致吸收信号值。进一步的，可供分析光二极管中的各功能层的内部电场在不同偏压变化。另外，由于电致吸收信号为零时的直流偏压值对应被探测功能层的内建电场Vbi。第三步内容还可分析光二极管中各功能层在连续工况下内建电场Vbi。
在本实施例中，所述光源组件包括宽带光源1、聚焦透镜组2、可调狭缝3、单色仪4、电动狭缝5、滤光轮6，所述宽带光源1产生的光依次经过聚焦透镜组2、可调狭缝3、单色仪4、电动狭缝5、滤光轮6后波长可调的单色光。可选的，所述宽带光源1为氙灯。
可选的，光二极管包括但不限于量子点发光二极管(QLED)、有机发光二极管(OLED)、钙钛矿发光二极管(PLED)及GaN,GaAs,InGaAs等的III-V化合物制成的发光二极管。进一步的，还包括交流驱动的电致发光器件，如交流驱动的量子点发光器件、有机发光器件、钙钛矿发光器件及GaN,GaAs,InGaAs等的III-V化合物制成的发光器件。更进一步的，还包括各种二极管光伏器件，如GaN,GaAs等III-V化合物太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、有机太阳能电池、CdTe、CuInGaSe等薄膜太阳能电池等。
为了验证本发明的有效性，在一具体实施例中，在反射模式下测量一个红光QLED器件在工作状态下的电致吸收光谱和内建电场。已知器件结构为ITO/PEDOT:PSS/TFB/R-QDs/ZnO/Al。其中ITO为透明电极，PEDOT:PSS和TFB分别为空穴注入与传输材料，R-QDs是作为发光层的红光量子点(通常为基于CdSe的纳米晶材料)，ZnO为电子注入材料，Al为第二电极。测试时，入射光与样品平面的法线夹角为20°。
第一步，测量器件在未在外加电场下的反射谱R(λ)。斩波器频率为777Hz。在圆形微米电动轨道上移动第二光电探测器16，保证经过底金属电极反射的出射光束完全进入第二光电探测器16的有效探测区域，第二光电探测器16的电流信号经过第二电流放大器19后放大输入第二锁相放大器18。通过设置第二锁相探测器18的参考频率为777Hz，其输出信号可以换算成R(λ)。
第二步，关闭并移除斩波器。将函数发生器设定为Vdc＝+3V的直流偏压和Vac＝1V。设置第一锁相放大器7和第二锁相放大器18的参考频率同时为ω＝1037Hz。在圆形微米电动轨道上移动第一光电探测器13和第一亮度计14，调整轨道和第一光电探测器13位置，使第二亮度计17和第一亮度计14的读数相同。在探测通道A中，第二光电探测器16的电流信号经第二电流放大器19进入第二锁相放大器18中。此时，第二锁相放大器18的直流输出Aout为电致发光强度信号与电致吸收信号ΔR(λ)之和。在探测通道B中，第一光电探测器13的电流信号经第一电流放大器8进入第一锁相放大器7。此时，第一锁相放大器7的直流输出Bout仅为电致发光强度信号。差分信号Aout-Bout为电致吸收信号ΔR(λ)。如图4所示，为测试得到的红光QLED器件的电致吸收光谱信号图。
第三步，将单色仪的输出波长设置为575nm，设定函数发生器9输出直流偏压Vdc从-3V到3V的范围内以0.1V为步长进行扫描。同时保持Vac＝1V的交流扰动和977Hz的参考频率。在直流偏压Vdc扫描至约1.5V时，QLED开始发光。采用第二步中描述的平衡差分测试，处理器20对两个通道的数值进行求差运算以消除电致发光信号的干扰。所测得结果实际工况下电致吸收强度ΔR(λ)/R随Vdc的变化趋势。由于575nm是发光层中CdSe量子点的吸收特征波长，因此该变化趋势反映了发光层内部电场。特别地，当ΔR(λ)为零时(如5所示)，对应的Vdc即为发光层的内部被完全抵消时的外部直流偏压。图5还比较了采用和不采用差分测量模式时所得的结果。可见，工况下二极管的电致发光对测试产生了严重的干扰，而平衡差分模式可以排除干扰得到可靠的结果。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种光二极管的测试装置，其特征在于，包括：
激发模块，包括光源组件、斩波器、聚焦消色差透镜和函数发生器；
信号收集模块，包括两个信号通道、处理器和用于承载待测器件的样品台，所述两个信号通道沿待测器件空间对称，所述两个信号通道中均包括信号收集组件；
当测量器件在未施加电场下的反射或透射信号时，所述光源组件产生的单色光经过斩波器调制后由聚焦消色差透镜入射至待测器件，反射或透射光由其中一个信号通道进入处理器，由所述处理器处理得到待测器件在未施加电场下的反射信号或透射信号；
当测量器件在工作状态下外部调制电场导致的反射或透射信号微扰时，所述光源组件产生的单色光经过聚焦消色差透镜后入射至待测器件，所述函数发生器向待测器件施加直流与交流叠加的偏压，其中一信号通道收集电致发光强度信号和电致吸收信号，另一信号通道收集电致发光强度信号，由所述处理器处理得到待测器件在外部调制电场导致的反射或透射信号微扰，并结合在未施加电场下的反射信号或透射信号得到在反射或透射模式下的电致吸收光谱信号；
当测量器件在工作状态下的电致吸收信号随直流偏压的变化时，根据得到的电致吸收光谱信号，选取其中一功能层的吸收峰值作为探测波长，并设定激发模块输出这一单色波长，使所述函数发生器依次输出线性变化的直流偏压以实现对器件的直流偏压扫描，所述处理器依次获得不同直流偏压下的电致吸收信号值。
2.如权利要求1所述的光二极管的测试装置，其特征在于，所述信号收集组件包括光电探测器、电流放大器和锁相放大器，所述光电探测器收集的信号经过所述电流放大器放大后输入锁相放大器，所述锁相放大器输出的直流信号由处理器进行模数转换。
3.如权利要求2所述的光二极管的测试装置，其特征在于，所述信号收集组件还包括辅助光电探测器进行电致发光信号测量的光强亮度显示部件。
4.如权利要求3所述的光二极管的测试装置，其特征在于，所述光强亮度显示部件为亮度计或光纤光谱仪。
5.如权利要求2所述的光二极管的测试装置，其特征在于，还包括圆形轨道，所述光电探测器装配于所述圆形轨道上，待测器件位于过圆形轨道的圆心且与圆形轨道所在面垂直的直线上。
6.如权利要求5所述的光二极管的测试装置，其特征在于，所述圆形轨道为圆形微米电动轨道。
7.如权利要求2所述的光二极管的测试装置，其特征在于，所述斩波器的斩波频率为锁相放大器的参考频率。
8.如权利要求1所述的光二极管的测试装置，其特征在于，所述光源组件包括宽带光源、聚焦透镜组、可调狭缝、单色仪、电动狭缝、滤光轮，所述宽带光源产生的光依次经过聚焦透镜组、可调狭缝、单色仪、电动狭缝、滤光轮后形成波长可调的单色光。
9.如权利要求8所述的光二极管的测试装置，其特征在于，所述宽带光源为氙灯。
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