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Gebiet der Erfindung
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Die Anmeldung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optisch stimulierten und infraroten Abbildung eines optoelektronischen Bauelements oder von Teilen davon.
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Hintergrund der Erfindung
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Kameras zum Abbilden von optoelektronischen Vorrichtungen, z. Photovoltaik-Geräte sind allgemein bekannt. Diese Geräte dienen beispielsweise zur Überwachung der Qualität der Herstellung der optoelektronischen Geräte. Diese Kameras machen normalerweise ein Foto des optoelektronischen Geräts und analysieren das Bild, um Fehler im optoelektronischen Gerät zu identifizieren.
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Es ist auch möglich, den Betrieb des optoelektronischen Bauelements detailliert zu analysieren, um festzustellen, ob die optoelektronischen Bauelemente korrekt funktionieren. Dies beinhaltet typischerweise das Anlegen eines elektrischen oder optischen Stimulationssignals an das optoelektronische Gerät und das Beobachten, wie das optoelektronische Gerät auf das Stimulationssignal reagiert. Ein Beispiel für eine solche Technik ist das LBIC-Verfahren mit induziertem Lichtstrahlstrom, mit dem die lokale Funktion von Photovoltaikzellen getestet wird.
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Es ist jedoch nicht praktisch, alle optoelektronischen Bauelemente zu testen, da das Testen zeitaufwendig ist. In der Praxis wird eine statistisch relevante Auswahl der optoelektronischen Bauelemente ausgewählt und einzeln getestet. Sollte sich herausstellen, dass eines der optoelektronischen Geräte defekt ist, können andere aus derselben Charge oder Charge auf korrekte Funktionalität geprüft oder direkt aussortiert werden.
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Die thermografische Untersuchung einer Halbleitervorrichtung ist eine Technik, die zum Analysieren einer Halbleitervorrichtung durch Abbilden der thermografischen Muster der Halbleitervorrichtung verwendet werden kann. Zum Beispiel haben Huth et al. Die Lock-In-Infrarot-Thermografie in einem Artikel beschrieben, der in Solid-State Phenomena 82-84, Januar 2002, veröffentlicht wurde. Bei der thermografischen Untersuchung wird periodisch modulierte Wärme einem Objekt zugeführt und die periodische Oberflächentemperaturmodulation in Referenz auf die modulierte Wärmeversorgung überwacht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Dieses Dokument beschreibt ein Verfahren zum Abbilden eines optoelektronischen Bauelements oder von Teilen davon. Das Verfahren umfasst das optische Stimulieren des optoelektronischen Bauelements und anschließendes Sammeln von Infrarotstrahlung aus dem optoelektronischen Bauelement. Die gesammelte Infrarotstrahlung kann analysiert und Bereiche des Bauelements mit einem anderen thermischen Profil identifiziert werden. Diese identifizierten Bereiche können auf fehlerhafte Regionen jeglicher Art hinweisen, die detailliert untersucht werden können. Die fehlerhaften Bereiche können ein einzelnes Bauelement oder mehrere Bauelemente oder ein Teil des Bauelements sein. Fehlfunktionen umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Kurzschlüsse wie lokale Nebenschlüsse in dem optoelektronischen Bauelement. Die Methode ist zerstörungsfrei und ermöglicht eine schnelle Identifizierung. Im Gegensatz zu früheren Lösungen ist nur ein einziger Anregungsprozess erforderlich, wodurch eine schnellere Analyse möglich ist.
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Das optoelektronische Bauelement umfasst ein einzelnes Element oder eine Vielzahl von Elementen, wie beispielsweise Photovoltaik-Bauelemente oder Leuchtdioden oder integrierte Schaltungen, die solche Elemente enthalten, ohne darauf beschränkt zu sein.
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Die optische Stimulation kann mittels einer gepulsten oder ein- und ausschaltbaren optischen Stimulation durchgeführt werden, z. durch einen Blitz oder einen Durchgang durch einen Lichtstreifen, der beispielsweise aus einem Satz von Lichtquellen oder einer Maske mit einer Öffnung gebildet ist. Durch die optische Ein-Aus-Stimulation kann ein großer Bereich schnell untersucht werden, während durch das Hindurchführen des optoelektronischen Bauelements durch einen Lichtstreifen eine kontinuierliche und augenblickliche Untersuchung während der Herstellung möglich ist.
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Es kann im selben Moment die Infrarotstrahlung von mehreren Orten oder nach unterschiedlichen Zeiträumen gesammelt werden. Dadurch kann die Zeitabhängigkeit der optischen Stimulation untersucht werden, die weitere Informationen über das optoelektronische Bauelement preisgeben kann.
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In diesem Dokument wird auch eine Vorrichtung zur Abbildung des optoelektronischen Bauelements dargestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Strahlungsquelle zum optischen Stimulieren mindestens eines Bereichs in dem optoelektronischen Bauelement und mindestens einen Strahlungsdetektor zum Sammeln von Infrarotstrahlung von Bereichen des optoelektronischen Bauelements.
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Ein Prozessor führt ein Computerprogramm zum Betreiben der Vorrichtung aus und kann die optischen Stimulationen von der Stimulationsvorrichtung mit der gesammelten Strahlung von dem Strahlungsdetektor zeitlich korrelieren.
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Figurenliste
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- zeigt einen Überblick über die Vorrichtung der Erfindung, in der ein optoelektronisches Bauelement abgebildet wird.
- zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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zeigt ein Beispiel der Vorrichtung 10 zur Analyse eines optoelektronischen Bauelements 20 gemäß den Inhalten dieses Dokuments. Das optoelektronische Bauelement 20 weist eine Oberseite 25 auf und das Verfahren dient zur Überwachung von Temperaturen der Bereiche des optoelektronischen Bauelements 20. Die Vorrichtung 10 umfasst eine optische Stimulationsquelle 30 und einen Strahlungsdetektor 40, beispielsweise eine Wärmebildkamera. Der Strahlungsdetektor 40 ist mit einem Computersystem verbunden, das einen Prozessor 50 enthält, auf dem ein Computerprogramm für die Durchführung des in dargestellten Verfahrens abläuft, welches auch weiter unten dargestellt wird. Es könnte auch mehr als ein Strahlungsdetektor 40 an mehreren Punkten in der Vorrichtung 10 angebracht sein.
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Die optische Stimulationsquelle 30 emittiert monochromatische oder panchromatische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von beispielsweise 200 nm bis 1 mm und mit einer Leistung zwischen 1 und 10000 W/m2. Die optische Stimulationsquelle 30 könnte eine Xenonlampe, ein Laser oder ein Laserarray oder ein Satz von LEDs sein. Die optische Stimulationsquelle 30 könnte ein Blitz, ein Streifen oder eine Anordnung von getrennten Lichtquellen sein oder durch eine Maske mit einem Schlitz gebildet sein, durch den die Strahlung auf die obere Oberfläche 25 des optoelektronischen Bauelements 20 scheint. Die Wahl der optischen Stimulation die Quelle 30 hängt von der Art des zu testenden optoelektronischen Bauelements 20 und der Art des Tests ab. Beispielsweise verwendet ein stationäres optoelektronisches Bauelement 20, die über ihre gesamte Fläche getestet wird, eine blitzartige optische Stimulationsquelle 30 zum Erzeugen eines einzelnen kurzen Lichtimpulses. Andererseits wird ein Lichtstreifen als optische Stimulationsquelle 30 zum Testen des optoelektronischen Bauelements 20 verwendet, die als kontinuierliche Rolle oder als diskretes optoelektronische Bauelement 20 auf einem Transportband, z.Bsp. aus einem Herstellungsgerät hervorgeht. Das optoelektronische Bauelement 20 wird kurz durch den Beleuchtungsbereich geführt, wie durch den Pfeil in angegeben. Für eine kontinuierliche Rolle von optoelektronischen Bauelementen 20 ermöglicht die Anordnung, dass die optoelektronischen Bauelemente 20 auf kontinuierliche Weise und über eine lange Länge getestet werden.
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Das optoelektronische Bauelement 20 kann mit einer elektrischen Quelle 35 verbunden sein, die über elektrische Verbindungen 37 mit dem optoelektronischen Bauelement 20 verbunden ist, um bei Bedarf eine Vorspannung für das optoelektronische Bauelement 20 bereitzustellen. Die Spannung könnte ferner berührungslos durch Kapazitätsprinzipien oder Induktionsprinzipien angelegt werden.
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Der Strahlungsdetektor 40 erfasst Infrarotstrahlung, die von der Oberfläche des optoelektronischen Bauelements 20 emittiert wird, beispielsweise im Bereich von 700 nm bis 20000 nm. Beispiele für solche Strahlungsdetektoren umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, InSb-Kameras, die Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 2 und 5 µm abbilden können, oder ein Mikrobolometer-Fokalebenenarray, das Strahlung im Bereich von 7,5 bis 14 µm abbilden kann. Es ist jedoch klar, dass diese Werte die Erfindung nicht einschränken.
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Die optoelektronischen Bauelemente 20 sind Halbleiterelemente oder Beschichtungen, die Licht absorbieren können. Die optoelektronischen Bauelemente 20 könnten zum Beispiel eine Vielzahl von photonischen Bauelementen sein, wie zum Beispiel, ohne darauf beschränkt zu sein, photovoltaische Bauelemente, organische Leuchtdioden oder Kombinationen solcher Bauelemente mit anderen Komponenten in einer integrierten Schaltung. Die photonischen Bauelemente sind als Elemente 22 gezeigt, die in der oberen Oberfläche 25 des optoelektronischen Bauelements 20 ausgebildet sind. Die Wellenlänge der optischen Stimulationsquelle 30 hängt von der Art des zu testenden optoelektronischen Bauelements 30 ab. Beispielsweise muss die Wellenlänge der Strahlung im Allgemeinen größer als die Bandlücke des Halbleitermaterials sein, wenn ein optoelektronisches Bauelement 20 aus einem Halbleitermaterial besteht. Es ist möglich, Strahlung anderer Wellenlängen zu verwenden, die eine Erwärmung des optoelektronischen Bauelements 20 verursachen.
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Die Vorrichtung 10 ist in einem Aspekt Teil einer Fertigungslinie, in der das optoelektronische Bauelement 20 auf einer Rolle selbsttragend ist oder sich auf einem Transportband befindet, das sich entlang der Fertigungslinie bewegt, und nach oder während der Produktion getestet wird. Die optoelektronischen Bauelemente 20 werden durch die optische Stimulationsquelle 30 und den Strahlungsdetektor 40 transportiert, wie dies durch den Pfeil 15 angegeben ist. Es wird angemerkt, dass das Testen durchgeführt werden könnte, wenn Elektroden an die optoelektronischen Bauelemente 20 angeschlossen wurden, um einen Kurzschluss zu bilden Schaltung durch die seriell verschalteten Bauelemente, da dies die Prüfung auf Nebenschlüsse oder Blockierungen in seriellen Verbindungen ermöglichen kann.
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Die optische Stimulationsquelle 30 und der Strahlungsdetektor 40 sind alle durch elektrische Verbindungen mit einem Computersystem einschließlich des Prozessors 50 verbunden. Der Prozessor 50 ist mit einer Anzeigevorrichtung 60 und einer Dateneingabevorrichtung 70 verbunden, beispielsweise einer Tastatur oder einem Touchpad. Das Computersystem kann die optische Stimulationsquelle 30 ansteuern und einen optischen Impuls erzeugen, um die optoelektronischen Bauelemente 20 zu stimulieren.
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Das Computersystem korreliert den von der Strahlungsquelle 30 erzeugten optischen Impuls mit Signalen, die vom Strahlungsdetektor 40 empfangen werden. Wenn mehr als ein Strahlungsdetektor 40 vorhanden ist, wird die Infrarotstrahlung des optoelektronischen Bauelements 20 an mehreren Stellen abgebildet. In einem Aspekt wird das optoelektronische Bauelement 20 wie oben erwähnt durch die verschiedenen Strahlungsdetektoren 40 transportiert, und somit kann der Effekt des zeitlichen Abfalls in den optoelektronischen Bauelementen 20 untersucht werden, indem die Signale von den verschiedenen Strahlungsdetektoren 40 zeitlich korreliert werden. In einem anderen Aspekt kann ein und derselbe Strahlungsdetektor 40 die Informationen des optoelektronischen Bauelements über die Zeit sammeln, indem Teilbereiche verwendet werden, z. Bsp. Zeilen von Pixeln in demselben Strahlungsdetektor 40.
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In einem weiteren Aspekt kann ein weiterer Strahlungsdetektor vorhanden sein, der beispielsweise im UV-, sichtbaren oder Nahinfrarotbereich arbeitet und der die Infrarotstrahlung mit anderen von dem weiteren Strahlungsdetektor erfassten Signalen korrelieren kann.
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zeigt ein Flussdiagramm für die Implementierung des Verfahrens. In einem ersten Schritt 200 wird ein optischer Impuls an das optoelektronische Bauelement 20 angelegt. Der optische Impuls wird vom Prozessor 50 ausgelöst und ist entweder ein Blitzlicht oder wird erzeugt, indem das optoelektronische Bauelement 20 von der optischen Stimulation kurz durch einen Lichtstreifen geführt wird Quelle 30.
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Das optoelektronische Bauelement 20 wird in Schritt 210 durch das optische Signal von der Strahlungsquelle 30 angeregt.
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Das optoelektronische Bauelement 20 emittiert in Schritt 215 Infrarotstrahlung, nachdem es in Schritt 210 durch die optische Strahlung stimuliert wurde. Es versteht sich, dass die Infrarotstrahlung im Allgemeinen von der oberen Oberfläche emittiert wird, jedoch kann diese auch in unteren Schichten des optoelektronischen Bauelements 20 oder Zwischenschichten des optoelektronischen Bauelements 20 erzeugt werden kann. Die Infrarotstrahlung kann von Bereichen emittiert werden, die nicht unbedingt den stimulierten Bereichen entsprechen, da es möglich ist, dass elektrischer Strom in dem beleuchteten Bereich erzeugt wird in einer angrenzenden Region zu Fehlfunktionen führen.
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Die Infrarotstrahlung wird von dem Strahlungsdetektor 40 in Schritt 220 gesammelt und in Schritt 230 an den Prozessor 50 weitergeleitet. Der Prozessor 50 korreliert in Schritt 240 die Infrarotstrahlung mit der optischen Strahlung, um zu sehen, wie die optoelektronischen Bauelemente 20 unter optischer Stimulation funktionieren. Die Korrelation ermöglicht es, die Qualität der optoelektronischen Bauelemente 20 zerstörungsfrei zu analysieren und fehlerhafte Bereiche in einem den photonischen Bauelementen 22 zu identifizieren.
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Beispiele für Funktionsstörungen umfassen Betriebsstörungen oder Hotspots in einigen der photonischen Bauelementen 22 bei Stimulation. Durch die Verwendung mehrerer unterschiedlicher Strahlungsdetektoren 40 oder einer infrarotempfindlichen Kamera als Strahlungsdetektor 40 können zeitliche Änderungen der Aktivität der photonischen Bauelemente 22 untersucht werden, wenn sich die photonischen Bauelemente 22 durch die Vorrichtung 10 bewegen.
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Beispiele für eine Fehlfunktion umfassen das Versagen von Teilen oder eingeschränkten Bereichen oder Flecken in dem optoelektronischen Bauelement 20 oder in einem untersuchten photonischen Bauelement 22. Durch die Verwendung mehrerer unterschiedlicher Strahlungsdetektoren 40 oder einer infrarotempfindlichen Kamera als Strahlungsdetektor 40 können zeitliche Änderungen der Aktivität dieser Bereiche untersucht werden, wenn sie sich durch die Vorrichtung 10 bewegen.
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Beispiele für die Anwendung umfassen: [a] im Falle einer Vielzahl von optoelektronischen und elektronischen Bauelementen, die in einem gemeinsamen Substrat kombiniert sind, unterbrochene serielle elektrische Verbindungen, die durch erhöhte Wärmeabgabe bei Anregung durch ein Breitband-Impulslicht detektiert werden könnten Quelle; [b] Erkennung lokaler Kurzschlüsse in einem Photovoltaikmodul während der Produktion. Bei vorübergehender Erregung der aktiven Fläche der Photovoltaikanlage mit Licht, dessen Energie höher ist als die Bandlücke des in der photoaktiven Schicht verwendeten Halbleiters, werden Ladungsträger erzeugt, die entweder lokal oder durch in der Nähe befindliche Nebenschlussfehler rekombinieren. Die lokalisierte Rekombination ergibt ein gleichmäßig verteiltes Wärmeabgabesignal (IR-Strahlung) über die Fläche des optoelektronischen Bauelements, wohingegen die Nebenschlüsse lokal höhere Emissionssignale (auch IR-Strahlung) aufgrund der höheren Ströme aufweisen, die durch die Nebenschlüsse fließen. Ein Nebenschlussfehler kann einfach eine lokale Verbindung zwischen den beiden gegenüberliegenden Elektroden der Photovoltaikvorrichtung sein, z. Bsp. verursacht durch ein Loch in der photoaktiven Schicht; [c] im Falle einer elektrischen Verschaltung des optoelektronischen Bauelements 20 und dadurch die Bildung eines Kurzschlusses durch eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Photovoltaik-Bauelementen - z. Bsp. Innerhalb eines monolithischen Photovoltaik-Moduls konnten mit dem hier beschriebenen Verfahren Defekte im Zusammenhang mit der seriellen Verbindung zweier benachbarter Photovoltaik-Bauelemente festgestellt werden. Die Defekte umfassen hier z.B. lokaler Nebenschluss oder unzureichende Leitfähigkeit in der seriellen Verbindung durch zu hohe oder zu niedrige Wärmeabgabesignale.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 20
- Optoelektronisches Bauelement
- 22
- Photonisches Bauelement
- 25
- Oberseite
- 30
- Strahlungsquelle
- 35
- Elektrische Quelle
- 40
- Strahlungsdetektor
- 50
- Prozessor
- 60
- Anzeigegerät
- 70
- Dateneingabegerät
