CN114236334A - 通过光激发增强电流注入led电致发光性能检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过光激发增强电流注入LED电致发光性能检测系统，检测系统包括激发光源、外部电源、电极板、电介质层、待测的LED器件以及光参数探测系统，波长低于LED芯片发光波长的激发光源辐照在LED器件上，外部电源与电极板相连接并提供脉冲电压施加到电极板，电极板通过电介质层与LED器件的P型层、阳极或N型层即阴极接触以实现电容性和电导性电流注入，通过激发光源增加注入电流转化成载流子比例，以增强LED的电致发光性能；光参数探测系统主要由光学器件、光谱仪和探测器组成，同时采集LED光电性能，包括LED器件发光的亮度、波长和角分布。该检测系统有利于对LED外延片或LED芯片的光电性能进行非接触、快速检测。

Description

通过光激发增强电流注入LED电致发光性能检测系统

技术领域

本发明属于发光二极管(LED)电光性能测试技术领域，具体涉及一种通过光激发增强电流注入LED电致发光性能检测系统。

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结构如图1所示，其中，101为衬底层，102为u-GaN缓冲层，103为n-GaN层，104为量子阱层，105为p-GaN层。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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过光激发增强电流注入LED电致发光性能检测系统，该检测系统有利于对LED外延片或LED芯片的光电性能进行非接触、快速检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种通过光激发增强电流注入LED电致发光性能检测系统，所述检测系统包括激发光源、外部电源、电极或电极阵列组成的电极板、电介质层、待测的LED器件以及用于采集LED发光的光参数探测系统，波长低于LED芯片发光波长的所述激发光源辐照在LED器件上，所述外部电源与电极板相连接并提供脉冲电压施加到电极板，所述电极板通过电介质层与LED器件的P型层、阳极或N型层即阴极接触以实现电容性和电导性电流注入，通过激发光源增加注入电流转化成载流子比例，以增强LED的电致发光性能；所述光参数探测系统主要由光学器件、光谱仪和探测器组成，同时采集LED光电性能，包括LED器件发光的亮度、波长和角分布。

进一步地，所述激发光源的照度随时间不变或者为脉冲型；如果激发光源的照度随时间不变，则所述光参数探测系统加上滤光片过滤掉低波长的激发光源，使之不干扰LED电致发光的测量；如果激发光源为脉冲型，则通过调整脉冲的占空比和相位，使电场脉冲导致的电致发光与激发光脉冲在时间上不重叠，并消除激发光对LED电致发光测量的干扰，精准测量到LED的电致发光；或者采用脉冲型激发光源，并在其上设置过滤短波长的滤光片，以提高LED电致发光测量的灵敏度。

进一步地，所述外部电源的电压随时间变化，电压变化幅度范围为0到±50000V，电压上升和下降的时间范围是1纳秒到10秒。

进一步地，所述电极板中电极为电极阵列，电极的形状为平型、凸型或尖端型；电极的材料为金属材料，包括金、银、铂、钌、铑、钯、铱、铜、铁、镍、钛、铟、锡、铬或铝，或者透明电极材料，包括ITO、纳米或微米金属颗粒，或者以上几种材料的混合；所述电极之间的间距为LED芯片阵列间距等同，或者LED芯片阵列间距的整数倍；电极阵列中的每个电极相互电导通，统一加电压实现对每个LED芯片同时注入电流，或者每个电极相互绝缘独立施加电压，以实现对每个LED芯片的独立注入电流，或者为以上两种电极结构的混合形式。

进一步地，所述电介质层为气态、液态或固态，或者其中两种或三种形态的混合态；所述电介质层覆盖整个LED芯片，或者选择性分布在阳极电极或阴极电极区域；所述电介质层的厚度范围在1微米到2毫米之间；所述电介质层材料的介电常数高于3，电导率范围在1μS/cm～100mS/cm。

进一步地，所述电介质层的液态材料为水、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几种的混合；所述电介质层的液体材料中添加设定比例的具备导电性能的一种或几种离子化合物；所述离子化合物为由阳离子和阴离子构成的化合物；

所述电介质层的固态材料为CaCu₃Ti₄O₁₂、Pb(Zr,Ti)O₃、(Pb,La)(Zr,Time)O₃、SrTiO₃、BaTiO₃、TiO₂、Nb₂O₅、LaAlO₃、La₂O₃、Ta₂O₅、HfSiO₄、HfO₂、ZrO₂、Al₂O₃、SiO₂中的一种或几种的混合。

进一步地，所述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，也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。

进一步地，所述光参数探测系统包括采集阵列光源角分布的光学器件、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、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以及信息存储系统。

进一步地，所述探测光强度和分布的探测器，包括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，以及光电倍增管探测器；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。

进一步地，所述外部电源通过调节脉冲电压的上升速率和电压幅度来控制外加电压波形，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；

所述检测系统通过采用不同辐照强度和波长的激发光源、不同外加电压波形和幅度、不同电介质层厚度和不同电介质材料得到电致发光强度随时间变化的曲线，用来矫正由于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电致发光强度不一致的误差，给出一个大面积LED芯片阵列的光电性能的快速无损伤测量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种通过光激发增强电流注入发光二级管(LED)实现电致发光性能以检测其光电性能的检测系统，该检测系统可实现对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，并且利用光激发增强注入电流转化成载流子实现电致发光的方式实现快速的巨量检测。该系统可以快速有效提高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。本发明对毫米级和微米级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是现有技术中氮化物LED外延片各层结构示意图。

图2是本发明实施例一中通过光激发增强电流注入LED外延片电致发光的光电性能检测系统的示意图。

图3是本发明实施例中电介质电流注入LED等效电路。

图4是现有技术中氮化物LED倒装芯片阵列结构示意图。

图5是本发明实施例二中通过光激发增强电流注入LED倒装芯片阵列电致发光的光电性能检测系统的示意图。

图6是对比有UV光照射下和无UV光照射情况下，不同电介质层厚度，在50V脉冲电压下电流注入LED芯片电致发光随时间变化分布。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明提供了一种通过光激发增强电流注入LED电致发光性能检测系统，所述检测系统包括激发光源、外部电源、电极或电极阵列组成的电极板、电介质层、待测的LED器件以及用于采集LED发光的光参数探测系统，波长低于LED芯片发光波长的所述激发光源辐照在LED器件上，所述外部电源与电极板相连接并提供脉冲电压施加到电极板，所述电极板通过电介质层与LED器件的P型层、阳极或N型层(阴极)接触以实现电容性和电导性电流注入，通过激发光源增加注入电流转化成载流子比例，以大幅度增强LED的电致发光性能；所述光参数探测系统主要由光学器件、光谱仪和探测器组成，同时采集LED光电性能，包括LED器件发光的亮度、波长和角分布。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。本检测系统可广泛用于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。

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

ε_r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，更重要的是外部激发光源可以增加注入电流转化成载流子比例，从而实现大幅度增强LED的电致发光强度，，可实现非接触状态下LED芯片光电特性参数高灵敏度的测量。

所述外部电源的电压随时间变化，电压变化幅度范围为0到±50000V，电压上升和下降的时间范围是1纳秒到10秒。所述检测系统可以由多个电源同时连接多个电极板实现大面积的快速检测。

所述电极板中电极为电极阵列，电极的形状为平型、凸型或尖端型。电极的材料可以是金属材料，如金、银、铂、钌、铑、钯、铱、铜、铁、镍、钛、铟、锡、铬、铝等，也可以是透明电极材料，如ITO、纳米或微米金属颗粒等，或者以上几种材料的混合。

所述电极之间的间距可以是LED芯片阵列间距等同，也可以是LED芯片阵列间距的整数倍。电极阵列中的每个电极可以是相互电导通的，统一加电压实现对每个LED芯片同时注入电流，也可以是每个电极相互绝缘独立施加电压，以实现对每个LED芯片的独立注入电流，也可以是以上两种电极结构的混合形式。

所述电介质层可以是气态、液态或固态，也可以是其中两种或三种形态的混合态。所述电介质层覆盖整个LED芯片，或者选择性分布在阳极电极或阴极电极区域。所述电介质层的厚度范围在1微米到2毫米之间。

在微米级芯片尺寸下，具备较好的电导率的电介质层材料和外部激发光源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，只是电极板通过中间的电介质层与P型层或阳极或N型层(阴极)接触实现电容性和电导性电流注入，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。特别是电介质层材料的介电常数高于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。具备高介电常数的电介质层的液态材料可以是水、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(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,Ethyl benzoate,etc.)中的一种或几种的混合。

具备高介电常数的电介质层的固态材料可以是CaCu₃Ti₄O₁₂、Pb(Zr,Ti)O₃、(Pb,La)(Zr,Time)O₃、SrTiO₃、BaTiO₃、TiO₂、Nb₂O₅、LaAlO₃、La₂O₃、Ta₂O₅、HfSiO₄、HfO₂、ZrO₂、Al₂O₃、SiO₂中的一种或几种的混合。

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。所述离子化合物为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。

尽管通过电介质的电容性注入和电导性电流注入可以实现LED一定的载流子复合实现电致发光，但往往载流子的密度不够强。特别是当LED芯片尺寸低于10微米时并且还没有从衬底上剥离或者在临时衬底上，等效的电容和电导非常小，电容和电导性的注入电流较小使得检测的灵敏度非常低。但通过外部激发光源在LED内部产生光电子降低了正向电压的势垒，增加注入电流转化成载流子比例实现大幅度增强LED的电致发光。激发光源的波长低于LED芯片发光的光波长，激发光源可以是照度随时间不变的，也可以是脉冲型的。如果激发光源的照度随时间不变，则所述光参数探测系统加上滤光片过滤掉低波长的激发光源，使之不干扰LED电致发光的测量。如果激发光源为脉冲型，则通过调整脉冲的占空比和相位，使电场脉冲导致的电致发光与激发光脉冲在时间上不重叠，并消除激发光对LED电致发光测量的干扰，精准测量到LED的电致发光。也可以采用脉冲型激发光源，并在其上设置过滤短波长的滤光片，以提高LED电致发光测量的灵敏度。

所述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，也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。

所述光参数探测系统包括采集阵列光源角分布的光学器件、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、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以及信息存储系统。所述探测光强度和分布的探测器，包括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(Microchannel Plate)，以及光电倍增管探测器；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。

所述外部电源通过调节脉冲电压的上升速率和电压幅度来控制外加电压波形，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。

所述检测系统通过采用不同辐照强度和波长的激发光源、不同外加电压波形和幅度、不同电介质层厚度和不同电介质材料得到电致发光强度随时间变化的曲线，用来矫正由于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电致发光强度不一致的误差，给出一个大面积LED芯片阵列的光电性能的快速无损伤测量。

实施例1

典型的基于GaN的蓝绿光LED外延片的结构如图2所示，包括蓝宝石衬底201，u-GaN缓冲层202，n型阴极层n-GaN 203，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。本发明的光激发增强电流注入到发光二级管(LED)实现电致发光在这个实施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，外部激发光源211在LED的量子阱层204产生光电子，降低了正向电压的势垒，大幅度增强脉冲电流通过电介质层206注入到LED外延片实现电极板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。通过移动外延片或移动电极板207可实现整个外延片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器件在不同激发光照度和不同注入电流情况下LED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中外延片结构的电路如图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I_LED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)，在这个实施例中与S₁基本相同。

对于该实施例，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J_c由方程式(6)表述。可见J_c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J_r，由方程式(7)表述。可见J_r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：

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。在这个实施例下，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。所以我们希望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J_c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J_c的关键。

提升注入电流的另一个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J_r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。

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。通过外部激发光源在LED的量子阱层产生光电子，可以大幅度降低了正向电压的势垒，增加注入电流转化成载流子比例实现大幅度增强LED的电致发光。激发光源的波长低于LED芯片发光的光波长，光源可以是照度随时间不变的，也可以是脉冲型的。如果是照度随时间不变的，LED光参数探测系统需要加上滤光片过滤掉低波长的激发光源使之不干扰LED电致发光的测量。如果激发光源是脉冲型，可以调整脉冲的占空比和相位，使得电场脉冲导致的电致发光与激发光脉冲在时间上不重叠，也可以消除激发光对LED电致发光测量的干扰，精准测量到LED的电致发光。也可以同时采用脉冲型激发光源和过滤短波长的滤光片提高LED电致发光测量的灵敏度。

实施例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施例之一。

本发明的非欧姆接触电流注入法在这个实施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，与在蓝宝石衬底下或其他衬底下的电极片511实现电回路，外部激发光源513在LED的量子阱层504产生光电子，降低了正向电压的势垒，大幅度增强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器件在不同激发光源照度和不同注入电流情况下LED芯片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I_LED注入到LED产生发光。对于该实施例，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J_c由方程式(6)表述。可见J_c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J_r，由方程式(7)表述。可见J_r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。通过外部激发光源在LED的量子阱层产生光电子，可以大幅度降低了正向电压的势垒，增加注入电流转化成载流子比例实现大幅度增强LED的电致发光。激发光源的波长低于LED芯片发光的光波长，光源可以是照度随时间不变的，也可以是脉冲型的。如果是照度随时间不变的,LED光参数探测系统需要加上滤光片过滤掉低波长的激发光源使之不干扰LED电致发光的测量。如果激发光源是脉冲型，可以调整脉冲的占空比和相位，使得电场脉冲导致的电致发光与激发光脉冲在时间上不重叠，也可以消除激发光对LED电致发光测量的干扰，精准测量到LED的电致发光。也可以同时采用脉冲型激发光源和过滤短波长的滤光片提高LED电致发光测量的灵敏度。

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。在这个实施例下，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J_c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J_c的关键。与实施例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，而不是实施例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J_c将比实施例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J_r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示出了在50V脉冲电压下，不同电介质层厚度和有无外界紫外光激发下，电流注入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。在电介质厚度只有50微米时，50V脉冲电压可以实现电流注入产生LED芯片的电致发光，更重要的是当有紫外光激发下，同样的电压脉冲可实现3倍以上的电致发光强度。在电介质厚度超过150微米时，50V脉冲电压产生LED芯片的电致发光几乎探测不到，但在有紫外光激发情况下，即使电介质厚度250微米时仍能测量到LED芯片电致发光的信号。由此可见当激发光源的波长低于LED芯片发光的光波长时，可以有效地激发LED的量子阱层产生光电子，大幅度降低了正向电压的势垒，实现大幅度增强LED的电致发光，这个也是本发明最核心部分之一。

图6也示出了在脉冲紫外光照射下，LED电致发光强度随时间变化与电介质层的厚度的关系。通过采用不同辐照强度和波长的激发光源，不同外加电压波形和幅度、不同电介质层厚度和不同电介质材料得出的电致发光强度随时间变化的曲线可以产生一种算法。通过这个算法可以用来矫正由于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电致发光强度不一致的误差，给出一个大面积LED芯片阵列的光电性能的快速无损伤测量。

综合上述的分析，本发明提供了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检测系统。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。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，实现非直接接触(非欧姆接触)LED电光性能的快速检测。特别地，通过外部激发光源，增加注入电流转化成载流子比例实现大幅度增强LED的电致发光，实现高灵敏度检测。通过采用光学系统、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光学性能参数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种通过光激发增强电流注入LED电致发光性能检测系统，其特征在于，所述检测系统包括激发光源、外部电源、电极或电极阵列组成的电极板、电介质层、待测的LED器件以及用于采集LED发光的光参数探测系统，波长低于LED芯片发光波长的所述激发光源辐照在LED器件上，所述外部电源与电极板相连接并提供脉冲电压施加到电极板，所述电极板通过电介质层与LED器件的P型层、阳极或N型层即阴极接触以实现电容性和电导性电流注入，通过激发光源增加注入电流转化成载流子比例，以增强LED的电致发光性能；所述光参数探测系统主要由光学器件、光谱仪和探测器组成，同时采集LED光电性能，包括LED器件发光的亮度、波长和角分布。

2.根据权利要求1所述的通过光激发增强电流注入LED电致发光性能检测系统，其特征在于，所述激发光源的照度随时间不变或者为脉冲型；如果激发光源的照度随时间不变，则所述光参数探测系统加上滤光片过滤掉低波长的激发光源，使之不干扰LED电致发光的测量；如果激发光源为脉冲型，则通过调整脉冲的占空比和相位，使电场脉冲导致的电致发光与激发光脉冲在时间上不重叠，并消除激发光对LED电致发光测量的干扰，精准测量到LED的电致发光；或者采用脉冲型激发光源，并在其上设置过滤短波长的滤光片，以提高LED电致发光测量的灵敏度。

3.根据权利要求1所述的通过光激发增强电流注入LED电致发光性能检测系统，其特征在于，所述外部电源的电压随时间变化，电压变化幅度范围为0到±50000V，电压上升和下降的时间范围是1纳秒到10秒。

4.根据权利要求1所述的通过光激发增强电流注入LED电致发光性能检测系统，其特征在于，所述电极板中电极为电极阵列，电极的形状为平型、凸型或尖端型；电极的材料为金属材料，包括金、银、铂、钌、铑、钯、铱、铜、铁、镍、钛、铟、锡、铬或铝，或者透明电极材料，包括ITO、纳米或微米金属颗粒，或者以上几种材料的混合；所述电极之间的间距为LED芯片阵列间距等同，或者LED芯片阵列间距的整数倍；电极阵列中的每个电极相互电导通，统一加电压实现对每个LED芯片同时注入电流，或者每个电极相互绝缘独立施加电压，以实现对每个LED芯片的独立注入电流，或者为以上两种电极结构的混合形式。

5.根据权利要求1所述的通过光激发增强电流注入LED电致发光性能检测系统，其特征在于，所述电介质层为气态、液态或固态，或者其中两种或三种形态的混合态；所述电介质层覆盖整个LED芯片，或者选择性分布在阳极电极或阴极电极区域；所述电介质层的厚度范围在1微米到2毫米之间；所述电介质层材料的介电常数高于3，电导率范围在1μS/cm~100mS/cm。

6.根据权利要求5所述的通过光激发增强电流注入LED电致发光性能检测系统，其特征在于，所述电介质层的液态材料为水、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几种的混合；所述电介质层的液体材料中添加设定比例的具备导电性能的一种或几种离子化合物；所述离子化合物为由阳离子和阴离子构成的化合物；

所述电介质层的固态材料为CaCu₃Ti₄O₁₂、Pb(Zr,Ti)O₃、(Pb,La)(Zr,Time)O₃、SrTiO₃、BaTiO₃、TiO₂、Nb₂O₅、LaAlO₃、La₂O₃、Ta₂O₅、HfSiO₄、HfO₂、ZrO₂、Al₂O₃、SiO₂中的一种或几种的混合。

7.根据权利要求1所述的通过光激发增强电流注入LED电致发光性能检测系统，其特征在于，所述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，也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。

8.根据权利要求1所述的通过光激发增强电流注入LED电致发光性能检测系统，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器件、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、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以及信息存储系统。

9.根据权利要求8所述的通过光激发增强电流注入LED电致发光性能检测系统，其特征在于，所述探测光强度和分布的探测器，包括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，以及光电倍增管探测器；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。

10.根据权利要求1所述的通过光激发增强电流注入LED电致发光性能检测系统，其特征在于，所述外部电源通过调节脉冲电压的上升速率和电压幅度来控制外加电压波形，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；

所述检测系统通过采用不同辐照强度和波长的激发光源、不同外加电压波形和幅度、不同电介质层厚度和不同电介质材料得到电致发光强度随时间变化的曲线，用来矫正由于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电致发光强度不一致的误差，给出一个大面积LED芯片阵列的光电性能的快速无损伤测量。

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