CN113791326A - 通过电介质层注入电流实现led器件光电性能测试的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过电介质层注入电流实现LED器件光电性能测试的设备。包括外部电源、电极或电极阵列组成的电极板、电介质层、采集待测LED器件发光参数的光参数探测系统；所述外部电源与电极板相连接，电极板通过电介质层与LED器件的P型层或阳极或N型层或阴极接触，外部电源提供脉冲电压施加到电极板并通过电介质层实现电容性电流注入和电导性电流注入到LED器件实现其电致发光，通过光参数探测系统采集LED器件发光参数，包括亮度、波长和角分布。本发明通过改变电压波形、不同电介质层厚度和采用不同电介质材料，可以实现LED器件光电特性参数的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过电介质层注入电流实现LED器件光电性能测试的设备，更具体地，本发明的实施涉及LED外延生长、LED芯片制备、LED芯片转移和组装等工艺过程中LED电光性能的检测，特别是应用在微米级LED(Micro-LED)显示制备中涉及的LED外延生长、Micro-LED芯片制备、Micro-LED芯片转移、键合和修复等过程。
背景技术
无机发光二极管(LEDs)由诸如GaAs、AlGaInP/GaP、InGaN/GaN等化合物半导体组成，LED的材料组成成分决定了其发射光波长，可实现红外到可见光到紫外波段。在外加电场的驱动下载流子被注入LED器件，n型半导体中的电子与p型半导体中的空穴在P-N节复合，能量以电磁波的形式释放并最终表现为发光。AlGaAs和AlGaInP半导体材料通常用于红光和黄光LED，基于GaN的半导体则用于绿色、蓝色和紫外LED。经典的氮化物LED的结构包含了一个或者更多的InGaN量子阱的有源区，夹在更厚的n型GaN与p型GaN中。外延片生长是通过诸如金属有机化学气相沉积(MOCVD)方式把气态物质有控制地输送到加热至适当温度的衬底基片(如蓝宝石或硅)上，生长出包含至少具备N型、量子阱和P型半导体等多层单晶薄膜结构。典型的基于GaN的蓝绿光LED结构示意图如图1所示，其中，1为衬底，2为u-GaN缓冲层，3为n-GaN，4为MQW，5为p-GaN，6为ITO(Indium-TinOxide)，7为p型GaN欧姆接触电极层，8为n型GaN欧姆接触电极层。4、5、6、7在工艺上合称为台面(Mesa)，Mesa作为主要发光区域。通常先进行浅刻蚀定义台面结。其次，进行深刻蚀将n-GaN区域刻蚀出来，可刻至蓝宝石衬底形成独立发光的LED芯片，也可仅将n-GaN刻蚀一部分形成共阴极结构，即所有Micro LED芯片阴极连接在一起。其次生长二氧化硅绝缘层并刻蚀出p电极开口，最后在开口处蒸镀p电极金属。红光LED的工艺流程与蓝绿光类似，其衬底通常为GaAs,其上依次为p-InGaP，InAlP/InGaP组成的MQW，n-InGaP外延层，电极排布与蓝绿光LED类似。
Micro-LED显示是一种新型的由微米级LED组成的阵列显示技术，与现有的主流显示技术(LCD，OLED等)相比，具有自发光、高效率、低功耗、可柔性、高透明、可集成、可交互、高稳定性、全天候工作的优点，被认为是具备全功能和全应用领域的显示技术。但同时面临良率低、成本高、可量产性差的现状，具体面临的挑战体现在LED芯片尺寸达到微米级发光的一致性和效率下降、Micro-LED芯片高速巨量转移、Micro-LED芯片与驱动芯片或背板键合、全彩化显示、高光提取效率和高对比度、低功耗驱动技术、检测和修复、以及如何实现大尺寸显示屏的拼接技术。其中组成显示像素的所有Micro-LED芯片的光电性能的一致性是实现Micro-LED显示的最重要的前提条件。这就要求从外延工艺上保证外延片上各个区域上材料组分和结构的高度一致，在芯片制备工艺上保证每个微米级芯片的光电性能如阈值电压、发光效率、发光波长、电流与发光强度及发光波长的关系的高度一致性。由于Micro-LED芯片尺寸是微米级，一个4英寸外延片上有约4000万个10um X 20um尺寸的Micro-LED芯片，6英寸外延片上有约9000万个10um X 20um尺寸的Micro-LED芯片，如此巨量的芯片数量，采用传统的接触性测量一是无法在外延片上实现，二是接触式检测会损坏电极的金属层，三是无法实现快速检测。本发明的检测装置可实现对LED外延片或LED芯片非直接接触，通过中间电介质层电流注入方式实现快速的巨量检测。这种方法可以快速有效提供LED外延片各个区域的光电性能，或后续的每个微米级尺寸LED芯片的电致发光(EL)性能，为制备工艺提供反馈，优化工艺，特别是提升Micro-LED显示制备良率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过电介质层注入电流实现LED器件光电性能测试的设备，通过与外部电源连接的由电极或电极阵列组成的电级板，电极板通过电介质层与LED器件的P型层、或阳极、或N型层(阴极)然后将外部控制的脉冲电压施加到电极板，通过电介质层实现脉冲电流注入到LED器件实现LED器件的电致发光，采用光学系统、光谱仪和快速相机可同时采集LED器件发光的亮度、波长和角分布等LED光学性能。通过改变电压波形，采用同时具备高介电常数和一定导电性的电介质层材料，和电极板与LED芯片的间距，可以实现LED器件电光特性参数的测量。本发明的目的在于提供一种无损、快速、电致发光测试方法可广泛用于LED结构制备工艺期间，如LED外延、芯片光刻、蚀刻和金属化等工艺步骤的优化和质量控制。
在LED芯片制备过程中，进行各种电光性能的检测是确保芯片质量和可重复性。在芯片转移前后，金属电极键合之前都需要对每个LED装置进行电光性能测试。即使存在与所有装置的共同接触(即，共阴极或共阳极)，每个装置的独立单独的电极仍然需要单独接触，以便测试其光电特性。一个4英寸外延片上有约4000万个10um X 20um尺寸的Micro-LED芯片，6英寸外延片上有约9000万个10um X 20um尺寸的Micro-LED芯片，如此巨量的芯片数量，采用传统的接触性测量一是无法在外延片上实现，二是接触式检测会损坏电极的金属层，三是无法实现快速检测。因此需要开发非直接电接触方法测试发光二级管(LED)电光性能的方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种通过电介质层注入电流实现LED器件光电性能测试的设备，包括外部电源、电极或电极阵列组成的电极板、电介质层、采集待测LED器件发光参数的光参数探测系统；所述外部电源与电极板相连接，电极板通过电介质层与LED器件的P型层或阳极或N型层或阴极接触，外部电源提供脉冲电压施加到电极板并通过电介质层实现电容性电流注入和电导性电流注入到LED器件实现其电致发光，通过光参数探测系统采集LED器件发光参数，包括亮度、波长和角分布。
在本发明一实施例中，所述外部电源可实现电压随时间可变化，电压幅度范围0到正负50000V，电压上升和下降时间范围是1纳秒到10秒；所述设备可由多个外部电源同时连接多个电极板实现大面积的快速检测。
在本发明一实施例中，电极板中电极的形状为平的、凸型或尖端型，电极的间距为LED器件芯片阵列间距的整数倍；每个电极为相互电导通的，统一加电压实现对每个LED器件同时注入电流，或每个电极相互绝缘独立，分别施加电压实现对每个LED器件的独立注入电流，或该两种电极结构的混合形式；电极的材料为包括金、银、铜、铝的金属，或包括ITO、纳米或微米金属颗粒的透明电极材料，或金属、透明电极材料中的至少两种的混合形式。
在本发明一实施例中，所述电介质层为气态、液体、固态或这三种的混合态；电介质层为覆盖整个LED器件，或选择性分布在阳极电极或阴极电极区域；电介质层的厚度范围在1微米到2毫米之间；电介质层采用的材料介电常数高于3，电导率范围在1μS/cm-100mS/cm，电介质层采用的材料介电常数的选择是基于高介电常数有利于电容耦合的电流注入，且电流注入是电导性电流注入，所以在不击穿的前提下，足够的电导性是电介质层采用的材料实现高电导性电流注入的关键。
在本发明一实施例中，高介电常数的的液态材料为水、甲酰胺、二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、硝基甲烷、硝基苯、甲醇、六甲基磷酰胺、乙醇、丙酮、异丙醇、吡啶、2-甲基-2-丙醇、1,2-二氯乙烷、邻二氯苯、二氯甲烷、三氟乙酸、2,2,2-三氟乙醇、四氢呋喃、1,2-二甲氧基乙烷、乙酸乙酯、苯甲酸乙酯中的一种或至少两种的混合；高介电常数的的液态材料中添加预定比例的具备导电性能的一种或几种离子化合物；离子化合物是由阳离子和阴离子构成的化合物；活泼金属与活泼非金属相互化合时，活泼金属失去电子形成带正电荷的阳离子，活泼非金属得到电子形成带负电荷的阴离子，阳离子和阴离子靠静电作用形成了离子化合物。
在本发明一实施例中，高介电常数的的固态材料为CaCu3Ti4O12、Pb(Zr,Ti)O3、(Pb,La)(Zr,Time)O3、SrTiO3、BaTiO3、TiO2、Nb2O5、LaAlO3、La2O3、Ta2O5、HfSiO4、HfO2、ZrO2、Al2O3、SiO2中的一种或至少两种的混合。
在本发明一实施例中，LED器件包括整个带外延衬底的LED外延片、不带外延衬底的LED外延片、不带外延衬底在其他基板或载体的LED外延片；还包括已经被刻蚀到衬底使得n型层互相不连接的LED芯片阵列、带原始外延衬底的LED芯片、已经被转移到其他基板或载体的LED芯片或LED芯片阵列。
在本发明一实施例中，所述光参数探测系统包括采集阵列光源角分布的光学系统、探测LED光辐射波长分布的光谱仪、探测光强度和分布的探测器、以及与提供脉冲电压同步的控制电路、采集光电信号的放大电路和降噪声电路、信息存储系统；所述探测器为探测光强度平面分布的CCD和CMOS阵列探测器、荧光增强型CCD和CMOS阵列探测器、微通道板探测器、光电倍增管探测器，该些探测器同时具备快速时间分辨率，最小分辨时间范围1ns-1ms；
在本发明一实施例中，通过外加电源实现电压波形的控制，具体是调节脉冲电压的上升速率和电压幅度，实现在LED器件不同电流密度的注入及对应LED器件发光强度的变化；调节电介质层的厚度，测量LED器件发光强度与电介质层的厚度变化的关系，通过这个关系曲线来矫正由于LED器件中芯片衬底不平整和电极板上各个电极与芯片之间间距的不一致性引入的注入电流的不一致的误差。
在本发明一实施例中，通过采用不同外部电源产生的外加电压波形、不同电介质层厚度和不同电介质材料产生的一种算法，以矫正包括由于LED器件的芯片阵列的不平整性、电极板上各个电极与芯片之间间距的不一致性、探测系统本身不一致性的因素造成的误差。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的测试方法对毫米级和微米级LED芯片有普遍适用性，无论是n型层连接在一起的LED芯片还是已经被刻蚀到蓝宝石衬底n型层互相不连接的LED芯片均可适用。因此，本发明具有很强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
图1现有技术中氮化物LED外延片各层结构示意图。
图2电流注入LED外延片电致发光测试其光电性能的示意图。
图3电介质电流注入LED等效电路。
图4现有技术中氮化物LED倒装芯片阵列结构示意图。
图5电流注入LED倒装芯片阵列电致发光测试其光电性能的示意图。
图6在50V脉冲电压下不同电介质层厚度下注入电流产生的LED芯片电致发光随时间变化分布。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种通过电介质层注入电流到发光二级管(LED)实现电致发光方式测试其光电性能的方法。具体地，通过与外部电源连接的由电极或电极阵列组成的电级板，电极板通过电介质层(非欧姆接触性导电层)与LED器件的P型层或N型层连接，然后将外部电源控制的脉冲电压施加到电极板，通过电介质层实现脉冲电流注入到LED器件实现LED器件的电致发光，采用光学系统、光谱仪和快速相机可同时采集LED器件发光的亮度、波长和角分布等LED光学性能。特别地，通过施加快速上升电压脉冲、采用高介电常数和高导电率的电介质层材料、高电场强度电极，实现LED器件电光特性参数的高灵敏度和高速测量。
本发明采用由电极阵列组成的电流注入电极板，电介质层均匀地分布在电流注入电极板与LED芯片之间，形成电极板与LED芯片的P型层上的p电极或N型层的n电极之间的非欧姆接触，脉冲电流通过外部电源控制的脉冲电压施加到电极板，脉冲电流通过电介质层入到LED芯片实现电致发光。采用光学系统、光谱仪和快速相机可同时采集LED器件发光的亮度、波长和角分布等LED光学性能。非接触电流注入与中间介质层的电容和电阻有密切的联系。注入的位移电流，或称为电容性注入电流的大小由电压上升速率dV/dt和中间介质层电容的乘积决定
其中介质层电容
εr是介质的相对介电常数，S是电极面积，d是非接触电极与LED芯片电极之间的距离，高介电常数是决定电容性注入电流的关键。介质的电导率σ也直接影响电导性注入电流i＝σES的大小和随时间的变化。脉冲电流注入的大小可以通过改变电压波形、采用高介电常数和一定电导率的电介质层材料、和电极板与LED芯片的间距来决定，从而可实现LED器件在不同电流下的电光特性参数的测量。
在微米级芯片尺寸下，具备较好的电导率的电介质层材料是更能提高注入电流实现电光转化信号。在实际检测应用中，考虑到快速和无损的原则，电极板不与LED芯片直接接触，只是通过中间的电介质层实现电流的注入，所以中间电介质层最好是具备高介电常数和足够电导率的气态或液态材料。特别是指电介质材料具备介电常数高于3，电导率范围在1μS/cm–100mS/cm。这个材料常数的选择是基于高介电常数有利于电容耦合的电流注入，但更重要的电流注入是电导性电流注入，所以在不击穿的前提下，足够的电导性是电介质材料实现高电导性电流注入的关键。具备高介电常数的液态材料可以分别是水、甲酰胺、二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、硝基甲烷、硝基苯、甲醇、六甲基磷酰胺、乙醇、丙酮、异丙醇、吡啶、2-甲基-2-丙醇、1,2-二氯乙烷、邻二氯苯、二氯甲烷、三氟乙酸、2,2,2-三氟乙醇、四氢呋喃、1,2-二甲氧基乙烷、乙酸乙酯、苯甲酸乙酯等(Water，Formamide，Dimethyl sulfoxide，N,N-Dimethylacetamide，Acetonitrile，N,N-Dimethylformamide,Nitromethane,Nitrobenzene,Methanol,Hexamethylphosphoramide,Ethanol,Acetone,Isopropyl alcohol,Pyridine,2-Methyl-2-propanol,1,2-Dichloroethane,o-Dichlorobenzene,Dichloromethane,Trifluoroacetic acid,2,2,2-Trifluoroethanol,Tetrahydrofuran,1,2-Dimethoxyethane,Ethyl acetate,Ethylbenzoate,etc.)等或他们的混合物。固态高介电常数材料可以是CaCu3Ti4O12、Pb(Zr,Ti)O3、(Pb,La)(Zr,Time)O3、SrTiO3、BaTiO3、TiO2、Nb2O5、LaAlO3、La2O3、Ta2O5、HfSiO4、HfO2、ZrO2、Al2O3、SiO2等或他们的混合物。以上这些高介电常数液体和固体通常不具备高的电导率，为了实现较好的电导性电流注入，可以添加一定比例的具备导电性能的一种或几种离子化合物。离子化合物是由阳离子和阴离子构成的化合物。活泼金属(如钠、钾、钙、镁等)与活泼非金属(如氟、氯、氧、硫等)相互化合时，活泼金属失去电子形成带正电荷的阳离子(如Na+、K+、Ca2+、Mg2+等)，活泼非金属得到电子形成带负电荷的阴离子(如F-、Cl-、O2-、S2-等)，阳离子和阴离子靠静电作用形成了离子化合物。以上高介电常数电介质材料与溶于液体的离子化合物的混合可实现最佳的电容性电流注入和电导性电流注入。
采集LED发光的光参数探测系统包括采集阵列光源角分布的光学系统，探测LED光辐射波长分布的光谱仪，探测光强度和分布的探测器，以及与提供脉冲电压同步的控制电路、采集光电信号的放大电路和降噪声电路、和信息存储系统。探测光强度和分布的探测器可以采用CCD和CMOS阵列探测器，或荧光增强型CCD和CMOS阵列探测器，或微通道板探测器(Microchannel Plate)，光电倍增管探测器等。以上探测器同时具备快速时间分辨率，最小分辨时间范围1ns-1ms。
通过外加电压波形的控制，具体是调节脉冲电压的上升速率和电压幅度，实现在LED器件不同电流密度的注入及对应LED发光强度的变化。特别是通过调节电介质层的厚度，测量LED发光强度与电介质层的厚度变化的关系，通过这个关系曲线可以来矫正由于LED芯片衬底不平整和电极板上各个电极与芯片之间间距的不一致性引入的注入电流的不一致的误差。具体是包括通过采用不同的外加电压波形、不同电介质层厚度和不同电介质材料产生的一种算法。这种算法可以矫正由于LED芯片阵列的不平整性、电极板上各个电极与芯片之间间距的不一致性、探测系统本身不一致性等因素造成的误差。
以下为本发明具体实施例。
图1现有技术中氮化物LED外延片各层结构示意图。
实例1
典型的基于GaN的蓝绿光LED外延片200的结构示意图如图2所示，包括蓝宝石衬底201，u-GaN缓冲层202，n型阴极层n-GaN203，有源层(通常是多量子阱或MQW系列子层)204和p型层205。LED外延片结构被简化，未展示许多附加层，诸如缓冲层、阻挡层、n接触层等。由于n型GaN是电学导通的，所以203在电学上相连的。本发明的非欧姆接触电流注入法在这个实例中具体实施方法是：由电极阵列组成的电级板207，通过电介质层206与LED外延片200的P型层205连接，然后将外部电源控制的脉冲电压208施加到电极板207，与在蓝宝石衬底下的电极片209实现电回路，实现脉冲电流通过电介质层206注入到LED外延片200实现电极板207区域的LED电致发光。由光学系统、光谱仪和快速相机等组成的光参数探测系统210可同时采集LED器件发光的亮度、波长和角分布等LED光学性能。通过移动外延片200或移动电极板207可实现整个外延片200上各个区域的电光性能的扫描，检测外延片的一致性。通过改变电压波形、采用不同介电常数和电阻率的电介质层206、和调节电极板207与LED p型层205的间距，可以实现LED器件在不同注入电流情况下发光波长和发光强度及角分布的等光电特性参数的测量。
由图2中200结构的电路如图3所示，电压源连接到电极板，电极板中电极的有效面积为S1。电极板与LED的p型层之间的介质层厚度d1组成等效电容C1和等效电阻R1分别由公式(1)和公式(2)表述。p型GaN层和n型GaN层形成等效电容C2、LED和等效电阻R2由公式(3)和公式(4)表述，其中量子阱的在正向电压驱动下将电流ILED注入到LED产生发光。
其中，ε0是真空介电常数(8.854×10-14F/cm)，ε1是间隙介质的相对介电常数(无量纲)，d1是间隙介质的厚度(cm)，S1是电极面积(cm2)。
其中，ρ1是间隙介质的电阻率(Ωcm)
其中，ε2是GaN的相对介电常数(无量纲)，d2是p型GaN层到n型GaN层的厚度，S2是GaN层电容的面积(cm2)，在这个实例中与S1基本相同。
对于该实例，由于底部的n型GaN层是电学导通的，n型GaN层与在蓝宝石衬底下的接地电极组成了等效电容C3和等效电阻R3,整个外延片的尺寸决定了等效电容C3和等效电阻R3的有效面积S3。S3就是整个外延片大小的面积。
其中，ε3是蓝宝石衬底材料的相对介电常数(无量纲)，d3是蓝宝石衬底的厚度，ρ3是蓝宝石衬底材料的的电阻率(Ωcm)。
由图3等效线路所示，加在电极板上的外加电压将通过中间的介质层把电流注入到LED上使之发光。由于LED衬底蓝宝石层的电阻很高，通过加直流电压产生的注入电流将非常小导致电致发光非常弱无法实现检测。而通过在电极板上的电极施加快速脉冲，通过中间介质层可实现电流注入到LED层，其中通过电容C1实现对应的电容耦合的瞬态电流注入，电容耦合瞬态电流密度Jc由方程式(6)表述。可见Jc与介质的介电常数和电极板上的电压上升速率成正比，与电极板与LED的p型层之间的介质层厚度d1成反比：
同时脉冲电压也可由介质的导电特性通过等效电阻R1注入电流密度Jr，由方程式(7)表述。可见Jr与加在电极板和p型GaN层之间的电场强度E1成正比，与介质的电导率σ1成正比：
需要注意的是注入介质的电流不是都能转变成LED发光需要的载流子电流，因为其中部分注入的电流被GaN层等效的电阻和电容所带走，只有剩余的电流以载流子的方式注入到LED的多层量子阱，并且GaN层上的电压大于LED阈值电压的前提下才可以实现电子和空穴的复合产生光。
从图3的等效电路分析上可见，C1、C2、C3串联，等效的总电容由其中最小的电容所决定。在这个实例下，被检测对象是整个外延片，n型GaN层连接在一起，是电导通的。尽管d3有几百微米，一个4英吋外延片的面积在8100mm2,而d2只有几微米，由于Micro-LED尺寸在1-100微米之间，所以C2远小于C3。所以本发明希望C1大于C2，这样C1、C2、C3串联的等效总电容接近最大的可能电容值C2，这样通过电容耦合的瞬态注入电流密度Jc将会最大。如公式(1)和公式(3)所示，若希望C1大于C2，电极板与LED的p型层之间的介质层的
要大于GaN层的
在通常的非欧姆接触方式，探测电极板到p型GaN层的介质层间距d2很难控制在低于10微米，GaN层d2约5-6微米,所以介质层的介电常数ε1需要远大于GaN的介电常数ε2，方可达到C1大于C2。同样通过公式(6)，提高脉冲电压的上升率也是提升通过电容耦合的瞬态注入电流密度Jc的关键。
提升注入电流的另一个更有效的途径是通过介质导电性增加瞬态注入电流，如公式(7)所示介质导电性瞬态注入电流密度Jr与电极板上电极与p型GaN之间的电场强度E1成正比，与中间介质层的电导率σ1成正比。所以增加电极板上电极与p型GaN之间的电场强度E1和采用高电导率的介质材料是实现高导电性瞬态注入电流的关键。
实例2
典型的基于GaN的蓝绿光LED的Micro-LED芯片阵列结构示意图如图4所示，包括蓝宝石衬底401，u-GaN缓冲层402，n型阴极层n-GaN 403，有源层(通常是多量子阱或MQW系列子层)404，p型层405，阳极电极(也称p电极)406,和阴极电极(也称n电极)407。LED外延片结构被简化，未展示许多附加层，诸如缓冲层、阻挡层、n接触层等。由于外延片上每个Micro-LED芯片已经通过干法刻蚀到蓝宝石衬底实现，所以每个Micro-LED芯片的n型GaN层与其他芯片的n型GaN层不是电学导通的。这种Micro-LED芯片阵列在衬底的形式是Micro-LED芯片制备后的状态，检测每个LED芯片的电致发光性能对芯片制备工艺的完善和进入下一步巨量转移前的筛选是至关重要。所以这种带有衬底Micro-LED芯片阵列的非接触检测是本发明的重要实例之一。
本发明的非欧姆接触电流注入法在这个实例中具体实施方法是：由电极阵列组成的电级板509，通过电介质层508与LED芯片500的P型层上的电极(阳极)506非接触连接，然后将外部电源510控制的脉冲电压施加到电极板509，与在蓝宝石衬底下的电极片511实现电回路，实现脉冲电流通过电介质层508注入到LED芯片500实现电极板509区域的LED芯片的电致发光。采用光学系统、光谱仪和快速相机组成的光探测系统512可同时采集LED器件发光的亮度、波长和角分布等LED光学性能。通过移动LED芯片500或移动电极板509可实现整个LED芯片阵列500上各个区域的电光性能的扫描，检测外延片的一致性。通过改变电压波形、采用不同介电常数和电导率的电介质层508、和调节电极板509与LED芯片p型层面上的电极50的间距，可以实现LED器件在不同注入电流情况下发光波长和发光强度及角分布的等光电特性参数的测量。
由图5中500结构的电路仍可如图3所示，电压源连接到电极板，电极板中电极的有效面积为S1。电极板与LED的p型层之间的介质层厚度d1组成等效电容C1和等效电阻R1分别由公式(1)和公式(2)表述。p型GaN层和n型GaN层形成等效电容C2、LED和等效电阻R2由公式(3)和公式(4)表述，其中量子阱的在正向电压驱动下将电流ILED注入到LED产生发光。对于该实例，每个LED芯片是独立的互不电相连。n型GaN层与在蓝宝石衬底下的接地电极组成了等效电容C3和等效电阻R3,如公式(4)和公式(5)所示。每个LED芯片的尺寸决定了等效电容C3和等效电阻R3的有效面积S3。
由图3等效电路所示，加在电极板上的外加电压将通过中间的介质层把电流注入到LED上使之发光。由于LED衬底蓝宝石层的电阻很高，通过加直流电压产生的注入电流将非常小导致电致发光非常弱无法实现检测。而通过在电极板上的电极施加快速脉冲，通过中间介质层可实现电流注入到LED层，其中通过电容C1实现对应的电容耦合的瞬态电流注入，电容耦合瞬态电流密度Jc由方程式(6)表述。可见Jc与介质的介电常数和电极板上的电压上升速率成正比，与电极板与LED的p型层之间的介质层厚度d1成反比。同时脉冲电压也可由介质的导电特性通过等效电阻R1注入电流密度Jr，由方程式(7)表述。可见Jr与加在电极板和p型GaN层之间的电场强度E1成正比，与介质的电导率σ1成正比。同时需要注意的是注入介质的电流不是都能转变成LED发光需要的载流子电流，因为其中部分注入的电流被GaN层等效的电阻和电容所带走，只有剩余的电流以载流子的方式注入到LED的多层量子阱，并且GaN层上的电压大于LED阈值电压的前提下才可以实现电子和空穴的复合产生光。
从图3的等效电路分析上可见，C1、C2、C3串联，等效的总电容由其中最小的电容所决定。在这个实例下，被检测对象是每个独立的LED芯片。d3约有几百微米，而d2只有几微米，S2≈S3，所以C2远大于C3。所以C1和C3中更小的电容值决定了C1、C2、C3串联的等效总电容，最大的可能电容值是C3，这样通过电容耦合的瞬态注入电流密度Jc将会最大。同样通过公式(6)，提高脉冲电压的上升率也是提升通过电容耦合的瞬态注入电流密度Jc的关键。与实例1相比，由于C1、C2、C3串联的等效总电容最大可能值由C3决定，而不是实例1中的C2决定，所以在同样的脉冲电压下通过电容耦合的瞬态注入电流密度Jc将比实例1的信号弱几十到几百倍。所以通过介质导电性增加瞬态注入电流更为重要。
如公式(7)所示介质导电性瞬态注入电流密度Jr与电极板上电极与p型GaN之间的电场强度E1成正比，与中间介质层的电导率σ1成正比。通过改善电极板上电极形状，可以增加电极与p型GaN上的阳极电极之间的电场强度E1，同时采用高电导率的介质材料以保证实现高导电性瞬态注入电流。
图6展示了外加电压在50V脉冲电压情况下，不同电介质层厚度下注入电流产生的LED芯片电致发光随时间变化分布。当电介质层厚度较薄时，电容C1较大，等效电容较大R1电阻较低，注入的电流较大导致LED芯片电致发光较强，光脉冲上升快下降也快。反之当电介质层厚度较厚时，电容C1较小，等效电容较小R1电阻较高，注入的电流较小导致LED芯片电致发光较弱，光脉冲上升慢下降也慢。由此可见通过电介质注入电流导致的LED的电致发光与介质的电容和导电性能密切相关。图6也展示可以通过调节电介质层的厚度，测量LED发光强度与电介质层的厚度变化的关系，通过这个关系曲线来矫正由于LED芯片衬底不平整和电极板上各个电极与芯片之间间距的不一致性引入的注入电流的不一致的误差。
综合上述的分析，本发明的核心是本发明涉及一种通过电介质层注入电流到发光二级管(LED)实现电致发光方式测试其光电性能的方法。具体地，通过与外部电源连接的由电极或电极阵列组成的电级板，电极板通过电介质层与LED器件的P型层或N型层连接，然后将外部电源控制的脉冲电压施加到电极板，通过电介质层实现电容性电流注入和电导性电流注入到LED器件实现LED器件的电致发光。特别地，通过施加快速上升电压脉冲、采用高介电常数和高导电率的电介质层材料、高电场强度电极形状和幅度，可实现非直接接触(非欧姆接触)LED电光性能的高灵敏度和快速检测。结合光学系统、光谱仪和快速相机可同时采集LED器件发光的亮度、波长和角分布等LED光学性能。
本发明已对首选实施例进行了特别描述。应该理解，上述描述和示例只是用于阐述本发明。在不必偏离本发明的主旨和本发明范畴，各种修改和改进均属本发明的一部分。因此，本发明旨在涵盖所有属于本发明声明权利要求范围内的改动、修改和变更。
Claims (10)
1.一种通过电介质层注入电流实现LED器件光电性能测试的设备，其特征在于，包括外部电源、电极或电极阵列组成的电极板、电介质层、采集待测LED器件发光参数的光参数探测系统；所述外部电源与电极板相连接，电极板通过电介质层与LED器件的P型层或阳极或N型层或阴极接触，外部电源提供脉冲电压施加到电极板并通过电介质层实现电容性电流注入和电导性电流注入到LED器件实现其电致发光，通过光参数探测系统采集LED器件发光参数，包括亮度、波长和角分布。
2.根据权利要求1所述的通过电介质层注入电流实现LED器件光电性能测试的设备，其特征在于，所述外部电源可实现电压随时间可变化，电压幅度范围0到正负50000V，电压上升和下降时间范围是1纳秒到10秒；所述设备可由多个外部电源同时连接多个电极板实现大面积的快速检测。
3.根据权利要求1所述的通过电介质层注入电流实现LED器件光电性能测试的设备，其特征在于，电极板中电极的形状为平的、凸型或尖端型，电极的间距为LED器件芯片阵列间距的整数倍；每个电极为相互电导通的，统一加电压实现对每个LED器件同时注入电流，或每个电极相互绝缘独立，分别施加电压实现对每个LED器件的独立注入电流，或该两种电极结构的混合形式；电极的材料为包括金、银、铜、铝的金属，或包括ITO、纳米或微米金属颗粒的透明电极材料，或金属、透明电极材料中的至少两种的混合形式。
4.根据权利要求1所述的通过电介质层注入电流实现LED器件光电性能测试的设备，其特征在于，所述电介质层为气态、液体、固态或这三种的混合态；电介质层为覆盖整个LED器件，或选择性分布在阳极电极或阴极电极区域；电介质层的厚度范围在1微米到2毫米之间；电介质层采用的材料介电常数高于3，电导率范围在1μS/cm-100mS/cm，电介质层采用的材料介电常数的选择是基于高介电常数有利于电容耦合的电流注入，且电流注入是电导性电流注入，所以在不击穿的前提下，足够的电导性是电介质层采用的材料实现高电导性电流注入的关键。
5.根据权利要求4所述的通过电介质层注入电流实现LED器件光电性能测试的设备，其特征在于，高介电常数的的液态材料为水、甲酰胺、二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、硝基甲烷、硝基苯、甲醇、六甲基磷酰胺、乙醇、丙酮、异丙醇、吡啶、2-甲基-2-丙醇、1,2-二氯乙烷、邻二氯苯、二氯甲烷、三氟乙酸、2,2,2-三氟乙醇、四氢呋喃、1,2-二甲氧基乙烷、乙酸乙酯、苯甲酸乙酯中的一种或至少两种的混合；高介电常数的的液态材料中添加预定比例的具备导电性能的一种或几种离子化合物；离子化合物是由阳离子和阴离子构成的化合物；活泼金属与活泼非金属相互化合时，活泼金属失去电子形成带正电荷的阳离子，活泼非金属得到电子形成带负电荷的阴离子，阳离子和阴离子靠静电作用形成了离子化合物。
6.根据权利要求4所述的通过电介质层注入电流实现LED器件光电性能测试的设备，其特征在于，高介电常数的的固态材料为CaCu3Ti4O12、Pb(Zr,Ti)O3、(Pb,La)(Zr,Time)O3、SrTiO3、BaTiO3、TiO2、Nb2O5、LaAlO3、La2O3、Ta2O5、HfSiO4、HfO2、ZrO2、Al2O3、SiO2中的一种或至少两种的混合。
7.根据权利要求1所述的通过电介质层注入电流实现LED器件光电性能测试的设备，其特征在于，LED器件包括整个带外延衬底的LED外延片、不带外延衬底的LED外延片、不带外延衬底在其他基板或载体的LED外延片；还包括已经被刻蚀到衬底使得n型层互相不连接的LED芯片阵列、带原始外延衬底的LED芯片、已经被转移到其他基板或载体的LED芯片或LED芯片阵列。
8.根据权利要求1所述的通过电介质层注入电流实现LED器件光电性能测试的设备，其特征在于，所述光参数探测系统包括采集阵列光源角分布的光学系统、探测LED光辐射波长分布的光谱仪、探测光强度和分布的探测器、以及与提供脉冲电压同步的控制电路、采集光电信号的放大电路和降噪声电路、信息存储系统；所述探测器为探测光强度平面分布的CCD和CMOS阵列探测器、荧光增强型CCD 和CMOS阵列探测器、微通道板探测器、光电倍增管探测器，该些探测器同时具备快速时间分辨率，最小分辨时间范围1ns-1ms。
9.根据权利要求1所述的通过电介质层注入电流实现LED器件光电性能测试的设备，其特征在于，通过外加电源实现电压波形的控制，具体是调节脉冲电压的上升速率和电压幅度，实现在LED器件不同电流密度的注入及对应LED器件发光强度的变化；调节电介质层的厚度，测量LED器件发光强度与电介质层的厚度变化的关系，通过这个关系曲线来矫正由于LED器件中芯片衬底不平整和电极板上各个电极与芯片之间间距的不一致性引入的注入电流的不一致的误差。
10.根据权利要求1所述的通过电介质层注入电流实现LED器件光电性能测试的设备，其特征在于，通过采用不同外部电源产生的外加电压波形、不同电介质层厚度和不同电介质材料产生的一种算法，以矫正包括由于LED器件的芯片阵列的不平整性、电极板上各个电极与芯片之间间距的不一致性、探测系统本身不一致性的因素造成的误差。
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