DE102021108647A1

DE102021108647A1 - Vorrichtung und verfahren zum messen zumindest einer kennlinie eines optoelektronischen bauelementes

Info

Publication number: DE102021108647A1
Application number: DE102021108647.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Brandl; Moses RICHTER
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-04-07
Filing date: 2021-04-07
Publication date: 2022-10-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen zumindest einer Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes umfassend eine Messnadel und einen der Messnadel zugeordneten optoelektronischen Detektor. Die Messnadel weist von deren Spitze ausgehend ein optisches Loch, insbesondere ein bis zu einer der Spitze gegenüberliegenden Seite der Messnadel reichendes optisches Durchgangsloch auf und der optoelektronische Detektor ist am Ende des optischen Durchgangsloches oder in dem optischen Durchgangsloch angeordnet. Ferner weist die Messnadel einen ersten elektrisch leitfähigen Bereich auf, der sich von der Spitze der Messnadel in Richtung der der Spitze gegenüberliegenden Seite der Messnadel erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen zumindest einer Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Messnadel.
Zur Messung von Kennlinien bzw. zur Charakterisierung eines optoelektronischen Bauelements, wie beispielsweise den auf das optoelektronische Bauelement eingeprägten Strom über deren Spannungsabfall oder den auf das optoelektronische Bauelement eingeprägten Strom über die Lichtintensität bzw. eine andere spektrale Eigenschaft des von dem optoelektronischen Bauelement emittierten Lichts, werden zum gegenwärtigen Zeitpunkt zwei unabhängige Messnadeln (Strom einprägend/Spannung messend) sowie ein zusätzlicher Photodetektor benötigt. Im Zuge der Entwicklung, dass optoelektronische Bauelemente immer kleiner dimensioniert werden sollen, insbesondere mit Kantenlängen kleiner oder gleich 20 µm oder mit einem Durchmesser von kleiner oder gleich 20 µm, ist eine solche Kontaktierung aufgrund des entstehenden Platzmangels oft nur noch mit einem erheblichen Aufwand möglich.
Somit besteht das Bedürfnis, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen zumindest einer Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes bereitzustellen, welches sich auch zum Messen zumindest einer Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes mit Kantenlängen kleiner oder gleich 20 µm oder eines optoelektronischen Bauelementes mit einem Durchmesser von kleiner oder gleich 20 µm eignet. Ferner besteht das Bedürfnis ein Verfahren zur Herstellung einer Messnadel bereitzustellen, mittels der zumindest eine Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes mit Kantenlängen kleiner oder gleich 20 µm oder mit einem Durchmesser von kleiner oder gleich 20 µm gemessen werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Diesem Bedürfnis wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruch 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruch 15 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruch 19 Rechnung getragen. Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen zumindest einer Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes umfasst eine Messnadel und einen der Messnadel zugeordneten optoelektronischen Detektor. Die Messnadel weist von deren Spitze ausgehend ein optisches Loch, insbesondere ein bis zu einer der Spitze gegenüberliegenden Seite der Messnadel reichendes optisches Durchgangsloch auf, wobei der optoelektronische Detektor am Ende des optischen Durchgangsloches oder in dem optischen Durchgangsloch angeordnet ist. Ferner weist die Messnadel einen ersten elektrisch leitfähigen Bereich auf, der sich von der Spitze der Messnadel in Richtung einer der Spitze gegenüberliegenden Seite der Messnadel erstreckt. Unter einem optischen Durchgangsloch wird im Folgenden ein Durchgangsloch in dem Sinne verstanden, dass im Bereich des Durchgangslochs kein Material vorhanden ist, oder es wird darunter ein Element verstanden, welches für Licht zumindest einer Wellenlänge und insbesondere für das von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Licht transparent ist.
Der Kern der Erfindung liegt darin, zum Messen zumindest einer Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes eine leitfähige Nadel zu verwenden, die einen Photodetektor direkt auf oder innerhalb der Nadel aufweist. Die Nadel weist ferner ein optisches Durchgangsloch von deren Sitze bis zumindest zu dem Photodetektor auf sodass zwischen der Spitze der Nadel und dem Photodetektor ein Lichtpfad ausgebildet ist. Wird ein optoelektronisches Bauelement mit einer solchen Nadel kontaktiert, um zumindest eine Kennlinie des optoelektronischen Bauelements zu messen, kann das von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Licht durch das optische Durchgansloch zu dem Detektor gelangen und von dem Detektor detektiert werden.
Bei gegenwärtigen Messmethoden mit einer Kombination einer leitfähigen Nadel und einer optischen Faser schattet die Nadel das optoelektronische Bauelement ab und das von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Licht gelang nur indirekt über Reflektion an der Nadel in die optische Faser. Eine elektrooptische Charakterisierung des optoelektronischen Bauelements ist daher oft nur bei Strömen größer als der eigentliche Betriebsstrom möglich und es bedarf langer Integrationszeiten.
Durch die Kombination einer leitfähigen Nadel, die einen Photodetektor direkt auf oder innerhalb der Nadel am Ende oder in einem optischen Durchgangsloch aufweist, welches sich von der Spitze bis zu einer der Spitze gegenüberliegenden Seite der Messnadel erstreckt, kann das von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Licht direkt und auch bei kleinen Strömen detektiert werden.
Des Weiteren erlaubt die Kombination einer leiterfähigen Nadel, die einen Photodetektor direkt auf oder innerhalb der Nadel am Ende oder in einem optischen Durchgangsloch aufweist auch eine Kontaktierung von kleinen, optoelektronische Bauelementen wie beispielsweise kleine LEDs, da unabhängig von der vorhandenen Oberfläche lediglich eine Messnadel auf der Oberfläche des optoelektronischen Bauelementes platziert werden muss.
In einigen Ausführungsformen ist die Vorrichtung dazu geeignet, zumindest eine Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes bzw. einer optoelektronischen Lichtquelle, insbesondere einer LED, zu bestimmen. Das optoelektronische Bauelement bzw. die optoelektronische Lichtquelle kann beispielsweise eine Kantenläge oder einen Durchmesser von kleiner als 100µm, insbesondere kleiner als 50µm, aufweisen. Bei diesen räumlichen Ausdehnungen ist das optoelektronische Bauelement bzw. die optoelektronische Lichtquelle für das menschliche Auge nahezu unsichtbar.
In einigen Ausführungsformen ist die Vorrichtung dazu geeignet, zumindest eine Kennlinie einer LED, zu bestimmen. Die LED kann insbesondere als Mikro-LED, auch µLED genannt, oder als µLED-Chip bezeichnet werden, insbesondere für den Fall, dass die Kantenlängen bzw. der Durchmesser der LED weniger als 100 µm, insbesondere weniger als 40 µm aufweisen. Die µLED können beispielsweise eine Kantenlänge bzw. einen Durchmesser im Bereich von einschließlich 100 µm bis einschließlich 10 µm aufweisen. Ein anderer Bereich liegt zwischen einschließlich 40 µm bis einschließlich 1 µm oder zwischen einschließlich 20 µm bis einschließlich 5 µm. Die µLED können auch eine Kantenlänge bzw. einen Durchmesser im Bereich von einschließlich 10 µm bis einschließlich 100 nm aufweisen. In solch einem Fall kann die µLED beispielsweise in Form eines Quantum Dots oder in Form eines Nanorods ausgebildet sein.
Die LED oder der pLED-Chip kann in einigen Ausführungsformen ein ungehauster Halbleiterchip sein. Ungehaust bedeutet, dass der Chip um seine Halbleiterschichten herum kein Gehäuse aufweist, wie z.B. ein Die. In einigen Ausführungsformen bedeutet ungehaust, dass der Chip frei von jeglichem organischen Material ist. Somit enthält das ungehauste Bauelement keine organischen Verbindungen, die Kohlenstoff in kovalenter Bindung enthalten.
In einigen Ausführungsformen weist die Messnadel einen vom ersten elektrisch leitfähigen Bereich elektrisch isolierten zweiten elektrisch leitfähiger Bereich auf, der sich von der Spitze der Messnadel in Richtung der der Spitze gegenüberliegenden Seite der Messnadel erstreckt.
Der erste und/oder zweite elektrisch leitfähige Bereich kann sich dabei von der Spitze der Messnadel bis zu der der Spitze gegenüberliegenden Seite der Messnadel erstrecken, jedoch kann sich der erste und/oder zweite elektrisch leitfähige Bereich auch nur über einen Teilbereich der Messnadel von der Spitze der Messnadel in Richtung der der Spitze gegenüberliegenden Seite der Messnadel erstrecken, sich also entsprechend nicht bis zu der der Spitze gegenüberliegenden Seite der Messnadel erstrecken.
Im Falle eines sehr kleinen optoelektronischen Bauelementes ist es möglich, dass aus Platzgründen auf der Oberfläche des optoelektronischen Bauelementes lediglich eine Messnadel, also nur ein elektrischer Kontakt, platziert werden kann. Dabei beeinflusst der Kontaktwiderstand zwischen der Nadel und dem optoelektronischen Bauelement die gemessene Kennlinie maßgeblich. Zwei voneinander getrennten elektrisch leitfähigen Bereiche auf lediglich einer Messnadel sind entsprechend vorteilhaft, da das optoelektronische Bauelement lediglich mit einer Messnadel kontaktiert werden muss und dennoch können die charakteristischen Größen des optoelektronischen Bauelements mit zwei getrennten Kontakten gemessen werden, um eine zuverlässigere Bestimmung der Betriebsspannung U_f des optoelektronischen Bauelements zu ermöglichen. Die Betriebsspannung ist insbesondere diejenige Spannung, bei der das optoelektronische Bauelement bei einem bestimmten Strom betreiben wird. Normalerweise wird bei jedem optoelektronischen Bauelement der Betriebsstrom fix eingestellt, z.B. 5 mA. Aufgrund dieses Betriebsstroms fällt über das optoelektronische Bauelement eine bestimmte Spannung, insbesondere die Betriebsspannung U_f ab. Je nach Charge des optoelektronischen Bauelementes kann sich allerdings bei einem fix eingestellten Betriebsstrom die Betriebsspannung leicht ändern, daher kann es gewünscht sein die Betriebsspannung U_f des optoelektronischen Bauelements genau zu bestimmen. Gleichzeitig dazu kann neben der Messung mittels der zwei voneinander getrennten elektrisch leitfähigen Bereiche die Lichtintensität des von dem optoelektronischen Bauelement emittierten Lichts mittels dem Detektor auf verbesserte Weise gemessen werden.
In einigen Ausführungsformen ist das optische Durchgangsloch dazu ausgebildet, Licht welches durch eine Öffnung an der Spitze der Messnadel in das Durchgangsloch eindringt in Richtung des optoelektronischen Detektors zu leiten. Insbesondere kann das optische Durchgangsloch in Form eines Lichtleiters ausgebildet sein. Das optische Durchgangsloch kann dazu beispielsweise mit einem im Wesentlichen transparenten und insbesondere lichtleitenden Material gefüllt sein, und/oder die Innenwand des Durchgangslochs kann reflektierend ausgebildet sein. Auch kann entlang der Innenwand des Durchgangslochs zwischen dem Medium, welches das Durchgangsloch füllt und dem Material der Messnadel ein Brechungsindexsprung auftreten, sodass Licht welches in das Durchgangsloch eindringt an der Innenwand des Durchgangslochs insbesondere in Form einer Totalreflektion (englisch: total internal reflection; Abkürzung TIR) reflektiert wird.
In einigen Ausführungsformen weist eine Öffnung des optischen Durchgangslochs an der Spitze der Messnadel einen Durchmesser von kleiner oder gleich 5 µm und insbesondere einen Durchmesser von einschließlich 10 nm bis einschließlich 500nm auf. Ein anderer Bereich liegt zwischen einschließlich 10 nm bis einschließlich 300 nm oder einschließlich 10 nm bis einschließlich 100 nm. Insbesondere kann die Öffnung eine kreisrunde, ovale, elliptische oder im Wesentlichen runde Form aufweisen.
In einigen Ausführungsformen weist die Messnadel eine Länge von einschließlich 100 nm bis einschließlich 10 µm auf. Ein anderer Bereich liegt zwischen einschließlich 100 nm bis einschließlich 100 µm oder 100 nm bis einschließlich 200 µm.
In einigen Ausführungsformen ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, den Spannungsabfall über das optoelektronische Bauelement und/oder die Lichtintensität oder eine andere spektrale Eigenschaft des von dem optoelektronischen Bauelement emittierten Lichts zu messen, wenn das optoelektronische Bauelement mittels der Vorrichtung mit elektrischer Energie versorgt wird. In einigen Ausführungsformen ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, den Spannungsabfall oder einer anderen charakteristischen Größe, wie beispielsweise den Stromfluss, den Widerstand, oder den differenziellen Wiederstand über das optoelektronische Bauelement zu messen, wenn das optoelektronische Bauelement mittels der Vorrichtung mit elektrischer Energie versorgt wird.
In einigen Ausführungsformen ist Vorrichtung dazu ausgebildet, ein von dem optoelektronischen Bauelement emittiertes Licht im Nahfeld zu detektieren. Dies kann insbesondere notwendig sein, wenn eine Öffnung des optischen Durchgangslochs an der Spitze der Messnadel einen Durchmesser aufweist, der kleiner als die Wellenlänge des von dem optoelektronischen Bauelement emittierten Lichts ist.
In einigen Ausführungsformen ist eine Innenfläche des optischen Durchgangslochs bzw. die Randbereiche der Öffnung des optischen Durchgangslochs mit einer Antireflexionsschicht beschichtet, um eine Lichteinkopplung in das Durchgangsloch weiter zu verbessern.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Messnadel ein Material, das für ein von dem optoelektronischen Bauelement emittiertes Licht im Wesentlichen transparent ist. Das optische Durchgangsloch kann dabei durch das im Wesentlichen transparente Material gebildet sein, oder aber das optische Durchgangsloch kann durch ein tatsächliches Durchgangsloch durch das im Wesentlichen transparente Material gebildet sein, indem im Bereich des Durchgangslochs das im Wesentlichen transparente Material entfernt ist. Dadurch kann beispielsweise gewährleistet werden, dass auch von dem optoelektronischen Bauelement emittiertes Licht, welches nicht durch die Öffnung des tatsächlichen Durchgangslochs in das optische Durchgangsloch eindringt, von dem Detektor detektiert wird. Ferner kann die Messnadel ein Material umfassen, das für ein von dem optoelektronischen Bauelement emittiertes Licht im Wesentlichen transparent ist, und, das in dem tatsächlichen Durchgangsloch angeordnet ist und dieses ausfüllt. Das Durchgangsloch kann entsprechend als ein optisches Durchgangsloch verstanden werden, dass zumindest teilweise mit einem Material gefüllt ist, das für ein von dem optoelektronischen Bauelement emittiertes Licht im Wesentlichen transparent ist. Ebenso kann das optische Durchgangsloch die Messnadel selbst bilden, indem ein Material verwendet wird, das für ein von dem optoelektronischen Bauelement emittiertes Licht im Wesentlichen transparent ist, und, das mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet ist, sodass das im Wesentlichen transparente Material das optische Durchgangsloch bildet.
In einigen Ausführungsformen weist die Messnadel zumindest stellenweise das Material Silizium Oxid (SiO₂) auf, oder ist zumindest teilweise aus einem Material wie SiO₂ gebildet. Die Messnadel kann zumindest stellenweise jedoch auch das Material Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Diamant aufweisen, oder zumindest teilweise aus einem Material wie Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Diamant gebildet sein. Insbesondere kann die Messnadel zumindest teilweise aus einem Material wie SiO₂ gebildet sein und zumindest bereichsweise mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet sein.
In einigen Ausführungsformen weist die Messnadel eine Beschichtung aus einem elektrisch leitfähigen Material auf. Insbesondere kann die Messnadel in dem ersten und/oder zweiten elektrisch leitfähige Bereich ein elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise in Form einer elektrisch leitfähigen Beschichtung aufweisen. Der erste und der zweite elektrisch leitfähige Bereich, insbesondere jeweils in Form einer elektrisch leitfähigen Beschichtung, sind in einigen Ausgestaltungen voneinander getrennt, indem sie beispielweise auf unterschiedlichen Oberflächenbereichen der Messnadel ausgebildet sind. Dadurch können der erste und der zweite elektrisch leitfähige Bereich beispielsweise elektrisch voneinander isoliert sein.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung wenigstens eine weitere Messnadel und einen der weiteren Messnadel zugeordneten optoelektronischen Detektor. Dadurch ist es möglich, dass mittels der Vorrichtung mehrere optoelektronische Bauelemente gleichzeitig getestet werden können bzw. von mehreren optoelektronischen Bauelementen gleichzeitig zumindest eine Kennlinie gemessen werden kann.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung eine Blattfeder oder ein anderes elastisches Element, an dem die Messnadel und optional die wenigstens eine weitere Messnadel befestigt ist. Die Vorrichtung kann entweder eine Blattfeder umfassen, an der die Messnadel und optional die wenigstens eine weitere Messnadel befestigt ist, oder die Vorrichtung kann mehrere Blattfedern umfassen, an denen jeweils zumindest eine Messnadel befestigt ist. Dadurch ist es möglich, mittels der Vorrichtung mehrere optoelektronische Bauelemente bzw. Gruppen von optoelektronischen Bauelementen gleichzeitig zu testen. Mittels der Blattfeder(n) kann/können die Messnadel(n) jeweils auf die Oberfläche eines optoelektronischen Bauelementes gedrückt werden, sodass mittels der Messnadel(n) die optoelektronischen Bauelemente elektrisch kontaktiert werden. Die Elastizität bzw. Biegsamkeit der Blattfeder(n) oder eines anderen elastischen Elements kann insbesondere vorteilhaft sein, um die optoelektronischen Bauelemente optimal zu kontaktieren und gleichzeitig eine Beschädigung der optoelektronischen Bauelemente zu verringern.
In einigen Ausführungsformen ist die Vorrichtung ein Rasterkraftmikroskop bzw. ist die Vorrichtung entsprechend dem Funktionsprinzips eines Rasterkraftmikroskops ausgebildet. Die Messnadel wird dabei mit einer sehr hohen Positioniergenauigkeit auf ein zu untersuchendes optoelektronisches Bauelement aufgebracht und dieses bestromt. Entsprechend kann die Positioniergenauigkeit eines Rasterkraftmikroskops mit einer elektrooptischen Messung kombiniert werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Messen zumindest einer Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes umfasst die Schritte:

elektrisches Kontaktieren eines optoelektronischen Bauelementes mittels einer Messnadel, wobei die Messnadel von deren Spitze bis zu einer der Spitze gegenüberliegenden Seite der Messnadel ein optisches Durchgangsloch aufweist;
Detektieren eines von dem optoelektronischen Bauelement emittierten Lichts mittels eines Detektors, der am Ende des optischen Durchgangsloches oder in dem optischen Durchgangsloch der Messnadel angeordnet ist; und
Messen eines Spannungsabfalls oder einer anderen charakteristischen Größe, wie beispielsweise den Stromfluss, den Widerstand, oder den differenziellen Wiederstand, über das optoelektronische Bauelement.

Der Schritt des Messens eines Spannungsabfalls setzt einen Gegenkontakt voraus. Bei einer vertikalen Stromeinprägung in ein optoelektronisches Bauelement mittels einer Messnadel wird ein flächiger Rückkontakt an dem optoelektronischen Bauelement benötigt. Bei beispielsweise einem Flip-Chip mit Anode und Kathode auf derselben Seite des optoelektronischen Bauelementes kann der laterale Spannungsabfall über das optoelektronische Bauelement lediglich mit einer Messnadel gemessen werden indem die Anode bzw. Kathode mittels zwei voneinander isolierten elektrisch leitfähigen Bereichen der einen Messnadel kontaktiert werden.
In einigen Ausführungsformen ist das zu untersuchende optoelektronische Bauelement bzw. die optoelektronische Lichtquelle durch eine LED gebildet, die beispielsweise eine Kantenläge oder einen Durchmesser von kleiner als 100µm, insbesondere kleiner als 50µm, aufweist. Die LED kann insbesondere als Mini-LED bezeichnet werden, das ist eine kleine LED, beispielsweise mit Kantenlängen bzw. einem Durchmesser von weniger als 100 µm, insbesondere bis zu weniger als 40 µm, insbesondere im Bereich von 100 µm bis 10 µm. Ein anderer Bereich liegt zwischen 50 µm bis 40 µm. Die LED kann auch als Mikro-LED, auch µLED genannt, oder als pLED-Chip bezeichnet werden, insbesondere für den Fall, dass die Kantenlängen bzw. der Durchmesser in einem Bereich von 40 µm bis 1 µm liegen. Ein anderer Bereich liegt zwischen 20 µm bis 5 µm.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Schritt des Detektierens ein Detektieren von Licht, welches durch eine Öffnung an der Spitze der Messnadel in das optische Durchgangsloch eindringt und in Richtung des optoelektronischen Detektors geleitet wird. Das optische Durchgangsloch fungiert dabei als Lichtleiter und leitet das Licht von einer Öffnung an der Spitze der Messnadel entlang des optischen Durchgangslochs in Richtung des optoelektronischen Detektors. Die Messnadel wird dazu auf einer Oberfläche des optoelektronischen Bauelements mit der Oberfläche des optoelektronischen Bauelements kontaktiert, sodass von dem optoelektronischen Bauelement emittiertes Licht durch eine Öffnung an der Spitze der Messnadel in das optische Durchgangsloch eindringen und in Richtung des optoelektronischen Detektors geleitet werden kann.
In einigen Ausführungsformen wird mittels dem Verfahren gleichzeitig zumindest eine Kennlinie zumindest eines weiteren optoelektronischen Bauelementes gemessen. Insbesondere kann mittels des Verfahrens zumindest eine Kennlinie einer Vielzahl von optoelektronischen Bauelementen gleichzeitig gemessen werden, bzw. mehrere Kennlinien zumindest eines optoelektronischen Bauelements gleichzeitig gemessen werden.
Mittels des Verfahrens kann beispielsweise der Spannungsabfall über das optoelektronische Bauelement und/oder die Lichtintensität des von dem optoelektronischen Bauelement emittierten Lichts gemessen werden, während das optoelektronische Bauelement mittels elektrischer Energie versorgt wird. Weiterhin kann jedoch auch jede andere charakteristische Größe des optoelektronischen Bauelementes, wie beispielsweise dessen Widerstand, oder dessen differenziellen Wiederstand gemessen werden, während das optoelektronische Bauelement mittels der Vorrichtung mit elektrischer Energie versorgt wird. Mittels den gemessenen Daten kann dann eine entsprechende Kennlinie des optoelektronischen Bauelementes bestimmt werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Messnadel umfasst die Schritte:

Bereitstellen eines Wafers;
Aufwachsen einer Spitze auf einem Teilbereich des Wafers, insbesondere mittels einem MEMS Verfahren;
Beschichten eines ersten Bereichs der Spitze mit einem elektrisch leitfähigen Material;
Beschichten eines zweiten Bereichs der Spitze mit einem elektrisch leitfähigen Material;
Entfernen eines spitz zulaufenden Teils der Spitze, sodass ein Kegelstumpf oder Pyramidenstumpf ähnlicher Körper der Spitze verbleibt, der eine Grundfläche, eine der Grundfläche gegenüberliegende Deckfläche, und eine Mantelfläche aufweist;
wobei der spitz zulaufenden Teils der Spitze derart entfernt wird, dass der erste und der zweite Bereich elektrisch voneinander isoliert sind.

In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren zur Herstellung einer Messnadel ferner den Schritt eines Erzeugens eines Lochs, insbesondere eines Durchgangslochs, welches sich von der Deckfläche ausgehend bis zu der Grundfläche durch die Spitze erstreckt.
Figurenliste
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen, jeweils schematisch,

1 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum Messen zumindest einer Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
2 eine Schnittansicht einer weiteren Vorrichtung zum Messen zumindest einer Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
3 Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Messen zumindest einer Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips; und
4 Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Messnadel nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips.

Detaillierte Beschreibung
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene Aspekte und ihre Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu. Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte hervorzuheben. Es versteht sich von selbst, dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausführungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dadurch das erfindungsgemäße Prinzip beeinträchtigt wird. Einige Aspekte weisen eine regelmäßige Struktur oder Form auf. Es ist zu beachten, dass in der Praxis geringfügige Abweichungen von der idealen Form auftreten können, ohne jedoch der erfinderischen Idee zu widersprechen.
Außerdem sind die einzelnen Figuren, Merkmale und Aspekte nicht unbedingt in der richtigen Größe dargestellt, und auch die Proportionen zwischen den einzelnen Elementen müssen nicht grundsätzlich richtig sein. Einige Aspekte und Merkmale werden hervorgehoben, indem sie vergrößert dargestellt werden. Begriffe wie „oben“, „oberhalb“, „unten“, „unterhalb“, „größer“, „kleiner“ und dergleichen werden jedoch in Bezug auf die Elemente in den Figuren korrekt dargestellt. So ist es möglich, solche Beziehungen zwischen den Elementen anhand der Abbildungen abzuleiten.
1 zeigt eine Schnittansicht einer Vorrichtung 1 zum Messen zumindest einer Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips. Die Vorrichtung umfasst eine Messnadel 2, die am Ende einer Blattfeder 7, oder einem ähnlichen elastischen Element angeordnet ist. Von der Spitze 2.1 der Messnadel erstreckt sich bis zu einer der Spitze gegenüberliegenden Seite 2.2 der Messnadel ein optisches Durchgangsloch 4 in Form eines tatsächlichen Lochs durch die Messnadel. Das Durchgangsloch 4 weist an der Spitze 2.1 der Messnadel 2 eine Öffnung 6 auf. Die Öffnung 6 kann beispielsweise eine kreisrunde, ovale, oder eine andere Form aufweisen.
Insbesondere kann die Messnadel 2, die am Ende einer Blattfeder 7, angeordnet ist zumindest teilweise entsprechend einer Cantilever-Messnadel für die Verwendung in einem Rasterkraftmikroskop ausgebildet sein. Dadurch kann es beispielsweise möglich sein, die Vorrichtung 1 bzw. die Messnadel 2 entsprechend dem Funktionsprinzips eines herkömmlichen Rasterkraftmikroskops zu verwenden um eine elektrooptische Messung eines optoelektronischen Bauteils mit sehr kleinen Kantenlängen durchzuführen.
Das Durchgangsloch 4 erstreckt sich einerseits durch die Messnadel 2, als auch durch die Blattfeder 7, auf der die Messnadel 2 angeordnet ist. Auf dem der Öffnung 6 gegenüberliegenden Ende des Durchgangslochs 4 bzw. auf der der Messnadel 2 gegenüberliegenden Seite der Blattfeder 7 ist ein Detektor 3, insbesondere Photodetektor, angeordnet.
Die Messnadel weist ferner einen ersten elektrisch leitfähigen Bereich 5.1 und einen davon elektrisch isolierten zweiten elektrisch leitfähigen Bereich 5.2 auf, die sich jeweils von der Spitze 2.1 der Messnadel in Richtung einer der Spitze 2.1 gegenüberliegenden Seite 2.2 der Messnadel erstrecken.
In einigen Ausführungsformen weist die Messnadel hingegen lediglich einen ersten elektrisch leitfähigen Bereich auf, der sich von der Spitze der Messnadel in Richtung einer der Spitze gegenüberliegenden Seite der Messnadel erstreckt. In diesem Fall wäre 1 wie ein Querschnitt zu betrachten und eine elektrisch leitende Schicht umschließt die Messnadel komplett. Dadurch wäre eine Herstellung der Messnadel vereinfacht.
In einigen Ausführungsformen ist die Messnadel durch ein Material gebildet welches zumindest für ein von dem optoelektronischen Bauelement emittiertes Licht transparent ist. Das optische Durchgangsloch ergibt sich dabei durch das transparente Material, das von der elektrisch leitenden Schicht zum Bereitstellen des ersten bzw. zweiten elektrisch leitfähigen Bereich umschlossen ist. Dadurch, dass der Schritt des Erzeugens eines tatsächlichen Durchgangslochs durch das Material der Messnadel entfällt wäre eine Herstellung der Messnadel vereinfacht.
Mittels der beiden elektrisch leitfähigen Bereiche 5.1, 5.2 kann ein optoelektronisches Bauteil, insbesondere ein optoelektronisches Bauteil in Form einer µLED elektrisch kontaktiert werden. Ferner kann durch die Kontaktierung beispielsweise eine charakteristische Größe, wie beispielsweise der Spannungsabfall, der Stromfluss, der Widerstand, oder der der differenzielle Wiederstand über das optoelektronische Bauelement gemessen werden, wenn dieses mit elektrischer Energie versorgt wird.
Zusätzlich dazu kann mittels dem optoelektronischen Detektor 3 die Intensität eines Lichts L, welches durch die Öffnung 6 an der Spitze 2.1 der Messnadel in das Durchgangsloch 4 eindringt und in Richtung des Detektors 3 geleitet wird, gemessen werden, wenn das optoelektronische Bauelement mit elektrischer Energie versorgt wird. Das Durchgangsloch 4 fungiert dabei als Lichtleiter für das von dem optoelektronische Bauelement emittierten Lichts, sodass das Licht L von der Öffnung 6 an der Spitze 2.1 der Messnadel entlang des Durchgangslochs 4 in Richtung des optoelektronischen Detektors 3 geleitet wird. Die Messnadel 2 kann dazu auf einer Oberfläche des optoelektronischen Bauelements mit der Oberfläche des optoelektronischen Bauelements kontaktiert werden, sodass von dem optoelektronischen Bauelement emittiertes Licht L durch die Öffnung 6 an der Spitze 2.1 der Messnadel in das Durchgangsloch 4 eindringen und in Richtung des optoelektronischen Detektors 3 geleitet wird.
2 zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Vorrichtung 1 zum Messen zumindest einer Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips. Im Gegensatz zu der in 1 dargestellten und beschriebenen Vorrichtung 1 ist der Detektor 3 jedoch nicht am Ende des Durchgangsloches 4, sondern innerhalb des Durchgangsloches 4 angeordnet. Dadurch kann beispielsweise die Strecke, die das von dem optoelektronischen Bauelement emittierte Licht L zurücklegen muss, um von dem Detektor 3 detektiert zu werden reduziert werden, und so Verluste verringert werden.
Zur Auswertung der von dem Detektor 3 detektierten Lichtintensität weist die Vorrichtung 1 elektrischen Leitungen 8 auf, mittels denen der Detektor 3 kontaktiert wird.
3 zeigt die Verfahrensschritte S1 bis S3 eines Verfahrens zum Messen zumindest einer Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips. In einem ersten Schritt S1 wird dabei ein optoelektronisches Bauelement mittels einer Messnadel elektrisch Kontaktiert. Die Messnadel weist dabei von deren Spitze ausgehende ein Loch, insbesondere ein von deren Spitze bis zu einer der Spitze gegenüberliegenden Seite der Messnadel durchgehendes Durchgangsloch auf.
In einem weiteren Schritt S2 wird mittels eines Detektors ein von dem optoelektronischen Bauelement emittiertes Licht detektiert. Der Detektor ist zu Detektieren des Lichts ist dabei am Ende des Durchgangsloches oder in dem Durchgangsloch der Messnadel angeordnet.
Zusätzlich zur Detektion des Lichts wird in einem weiteren Schritt S3 ein Spannungsabfall oder einer anderen charakteristischen Größe wie beispielsweise der Stromfluss, der Widerstand, oder der differenziellen Wiederstand, über das optoelektronische Bauelement gemessen, um zusätzlich zu der Lichtmessung bzw. in Kombination zu der Lichtmessung zumindest eine Kennlinie für das optoelektronische Bauelement zu bestimmen.
4 zeigt die Verfahrensschritte S4 bis S8 eines Verfahrens zur Herstellung einer Messnadel nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips.
In einem ersten Schritt S4 wird dabei ein Wafer bereitgestellt. Der Wafer kann beispielsweise durch ein ca. 3,4 mm langes und 1,6 mm breites rechteckig geformtes Substrat gebildet sein. Jedoch soll dies nicht beschränkend sein, sondern der Wafer kann ebenfalls andere Formen und andere Größen aufweisen. Die große Fläche kann beispielsweise dazu dienen, die Messnadel zur weiteren Verwendung in einen AFM-Messkopf einspannen zu können.
Als Ausgangsmaterial zur Herstellung einer Messnadel werden üblicherweise Silizium-Wafer verwendet, wie sie aus der Halbleiterindustrie bekannt sind. Neben Silizium kann beispielsweise jedoch auch das sehr harte Siliziumnitrid (Si₃N₄) als Material verwendet werden.
In einem weiteren Schritt S5 wird auf einem Teilbereich des Wafers, insbesondere mittels einem MEMS Verfahren, eine Spitze, auch Tip genannt, aufgewachsen. Der Teilbereich des Wafers kann dabei eine durch Ätztechnik hergestellte Biegefeder umfassen, die beispielsweise eine Länge von einschließlich 100 µm bis einschließlich 300 µm, eine Breite von einschließlich 20 µm bis einschließlich 80 µm und eine Dicke von einschließlich 1 µm bis einschließlich 3 µm aufweist. Die Spitze läuft idealerweise auf eine Breite von nur wenigen Atomen zu, sodass sich beispielsweise ein Spitzenradius von einschließlich 10 nm bis einschließlich 15 nm, und bei besonders scharfen Spitzen ein Spitzenradius von einschließlich 5 nm und weniger ergibt. Durch das MEMS Verfahren wird der Teilbereich des Wafers mit einer Resonanzfrequenz von wenigen Kilohertz (kHz) bis hin zu 300 kHz angeregt, sodass sich Atome im Bereich der Spitze ansammeln und eine Spitze ausbilden. Die Spitze kann dabei eine Pyramiden- oder Kegelform ausbilden.
Anschließend wird ein einem weiteren Schritt S6 ein erster Bereich der Spitze mit einem elektrisch leitfähigen Material und ein vom ersten elektrisch isolierter zweiter Bereich der Spitze mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet. Der erste und der zweite Bereich können beispielsweise mit Platin oder Gold besputtert oder bedampft werden, um das elektrisch leitfähige Material aufzubringen. Im Falle, dass die Spitze beispielsweise in Form einer vierseitigen Pyramide ausgebildet ist, kann der erste Bereich und der zweite Bereich durch zwei sich gegenüberliegende Seitenflächen der Pyramide gebildet sein. Diese beiden Bereiche sind dann entsprechend durch die beiden verbleibenden sich gegenüberliegenden Seitenflächen räumlich voneinander getrennt und berühren sich lediglich an der Spitze der Pyramide.
Der spitz zulaufenden Teils der Spitze wird in einem weiteren Schritt S7 entfernt, sodass ein Kegelstumpf oder Pyramidenstumpf ähnlicher Körper der Spitze verbleibt, der eine Grundfläche, eine der Grundfläche gegenüberliegende Deckfläche, und eine Mantelfläche aufweist. Insbesondere kann dadurch erreicht werden, dass der sich an der Spitze der Pyramide berührende erste und zweite Bereich entfernt wird, sodass der erste und der zweite Bereich im Weiteren elektrisch voneinander getrennt sind. Der spitz zulaufende Teil der Spitze wird entsprechend derart entfernt, dass der erste und der zweite Bereich elektrisch voneinander isoliert sind.
Anschließend wir in einem weiteren Schritt S8 ein Loch, insbesondere ein Durchgangsloch, erzeugt, welches sich von der Deckfläche ausgehend bis zu der Grundfläche der Spitze durch die Spitze erstreckt. Der Schritt des Erzeugens eines Lochs, insbesondere eines Durchgangslochs, welches sich von der Deckfläche ausgehend bis zu der Grundfläche durch die Spitze erstreckt kann insbesondere mittel Ätztechnik durchgeführt werden. Entsprechend kann das Durchgangsloch beispielsweise von der Grundfläche der Spitze zur Deckfläche der Spitze hin in Form eines konisch zulaufenden Durchgangslochs ausgebildet sein.
Letztgenannter Schritt kann jedoch optional sein, da eine Messnadel aus einem transparenten Material wie beispielsweise SiO₂ oder SiN oder Diamant schon eine benötigte Transparenz mitbringen würde. Ein Durchgangsloch wäre dadurch nicht zwingend nötig, da sich das Durchgangsloch in Form eines optischen Durchgangslochs innerhalb der Beschichtung der Messnadel mit dem elektrisch leitfähigen Material ergeben kann.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Messnadel
2.1: Spitze
2.2: gegenüberliegende Seite
3: Detektor
4: optisches Durchgangsloch
5.1: erster Bereich
5.2: zweiter Bereich
6: Öffnung
7: Blattfeder
8: elektrische Leitung
L: Licht
S1 bis S8: Schritte

Claims

Vorrichtung (1) zum Messen zumindest einer Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes umfassend: eine Messnadel (2) und einen der Messnadel zugeordneten optoelektronischen Detektor (3), wobei die Messnadel (1) von deren Spitze (2.1) ausgehend ein optisches Loch aufweist, insbesondere ein bis zu einer der Spitze gegenüberliegenden Seite (2.2) der Messnadel (2) reichendes optisches Durchgangsloch (4) und der optoelektronische Detektor (3) am Ende des optischen Durchgangsloches (4) oder in dem optischen Durchgangsloch (4) angeordnet ist, und wobei die Messnadel (2) einen ersten elektrisch leitfähigen Bereich (5.1) aufweist, der sich von der Spitze (2.1) der Messnadel in Richtung der der Spitze gegenüberliegenden Seite (2.2) der Messnadel erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung dazu geeignet, ist zumindest eine Kennlinie einer µLED zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Messnadel (2) einen vom ersten elektrisch leitfähigen Bereich (5.1) elektrisch isolierten zweiten elektrisch leitfähiger Bereich (5.2) aufweist, der sich von der Spitze (2.2) der Messnadel in Richtung der der Spitze gegenüberliegenden Seite (2.2) der Messnadel erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das optische Durchgangsloch (4) dazu ausgebildet ist, Licht (L) welches durch eine Öffnung (6) an der Spitze (2.1) der Messnadel in das optische Durchgangsloch (4) eindringt in Richtung des optoelektronischen Detektors (3) zu leiten.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine Öffnung (6) des optischen Durchgangslochs (4) an der Spitze (2.1) der Messnadel einen Durchmesser von einschließlich 10 nm bis einschließlich 500nm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Messnadel (2) eine Länge von einschließlich 100nm bis einschließlich 10µm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgebildet ist den Spannungsabfall über das optoelektronische Bauelement und/oder die Lichtintensität oder eine andere spektrale Eigenschaft des von dem optoelektronischen Bauelement emittierten Lichts (L) zu messen, wenn das optoelektronische Bauelement mittels der Vorrichtung (1) mit elektrischer Energie versorgt wird.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgebildet ist, ein von dem optoelektronischen Bauelement emittiertes Licht (L) im Nahfeld zu detektieren.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Messnadel (2) ein Material umfasst, das für ein von dem optoelektronischen Bauelement emittiertes Licht (L) im Wesentlichen transparent ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Messnadel (2) zumindest stellenweise SiO₂ und/oder Si₃N₄ und/oder Diamant aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Messnadel (2) insbesondere im Bereich des ersten elektrisch leitfähigen Bereichs (5.1) und optional im Bereich des zweiten elektrisch leitfähigen Bereichs (5.2), eine Beschichtung aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) wenigstens eine weitere Messnadel (2) und einen der weiteren Messnadel zugeordneten optoelektronischen Detektor (3) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) eine Blattfeder (7) umfasst, an der die Messnadel (2) und optional die wenigstens eine weitere Messnadel befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) ein Rasterkraftmikroskop ist.
Verfahren zum Messen zumindest einer Kennlinie eines optoelektronischen Bauelementes umfassend die Schritte: elektrisches Kontaktieren eines optoelektronischen Bauelementes mittels einer Messnadel (2), wobei die Messnadel von deren Spitze (2.1) bis zu einer der Spitze gegenüberliegenden Seite (2.2) der Messnadel ein optisches Durchgangsloch (4) aufweist; Detektieren eines von dem optoelektronischen Bauelement emittierten Lichts (L) mittels eines Detektors (3), der am Ende des optischen Durchgangsloches (4) oder in dem optischen Durchgangsloch (4) der Messnadel (2) angeordnet ist; und Messen eines Spannungsabfalls oder einer anderen charakteristischen Größe über das optoelektronische Bauelement.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das optoelektronische Bauelement durch eine µLED gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Schritt des Detektierens ein Detektieren von Licht (L) umfasst welches durch eine Öffnung (6) an der Spitze (2.1) der Messnadel in das optische Durchgangsloch (4) eindringt und in Richtung des optoelektronischen Detektors (3) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei mittels dem Verfahren gleichzeitig zumindest eine Kennlinie zumindest eines weiteren optoelektronischen Bauelementes gemessen wird.
Verfahren zur Herstellung einer Messnadel (2) umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Wafers; Aufwachsen einer Spitze auf einem Teilbereich des Wafers, insbesondere mittels einem MEMS Verfahren; Beschichten eines ersten Bereichs der Spitze mit einem elektrisch leitfähigen Material; Beschichten eines zweiten Bereichs der Spitze mit einem elektrisch leitfähigen Material; Entfernen eines spitz zulaufenden Teils der Spitze, sodass ein Kegelstumpf oder Pyramidenstumpf ähnlicher Körper der Spitze verbleibt, der eine Grundfläche, eine der Grundfläche gegenüberliegende Deckfläche, und eine Mantelfläche aufweist; wobei der spitz zulaufenden Teils der Spitze derart entfernt wird, dass der erste und der zweite Bereich elektrisch voneinander isoliert sind.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend den Schritt: Erzeugen eines Lochs, insbesondere eines Durchgangslochs, welches sich von der Deckfläche ausgehend bis zu der Grundfläche durch die Spitze erstreckt.