采用光生伏特效應的LED芯片在檢測方法上的研究

摘要：基于pn結(jié)的光生伏特效應，本文研究了一種非接觸式LED芯片在線檢測方法。通過測量pn結(jié)光生伏特效應在引線支架中產(chǎn)生的光生電流，檢測LED封裝過程中芯片質(zhì)鍍及芯片與支架之間的電氣連接狀態(tài)。通過分析pn結(jié)光生伏特效應的等效電路，詳細論述了半導體材料的各種參數(shù)及等效電路中各電參數(shù)與支架上流過的光生電流的關(guān)系。實驗對各種不同顏色的LED樣品進行了測量。研究表明，該方法可以實現(xiàn)LED芯片的在線檢測，有較大的應用價值。

1、引言

發(fā)光二極管(LED)以其體積小、響應速度快、壽命長、可靠性高、功耗低等優(yōu)點已廣泛應用于指示、顯示、普通照明等領域[1-3]。隨著其應用范圍的不斷擴大，提高LED產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，降低其生產(chǎn)成本成為不可忽視的問題，因此LED生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢測顯得尤為重要。

目前對LED的檢測主要集中在封裝前的晶片檢測及封裝完成后的成品檢測。晶片檢測主要是針對LED的核心結(jié)構(gòu)pn結(jié)的檢測，包括EBIC(electronbeam induced current)【4-5】別、OBIC(optical beam in—duced current)【6-7】、SPV(surface photovohaic)【8】及SQUID(superconducting quantum interference device)法[9-10]等。其中EBIC、OBIC和SPV法都是基于半導體的光電效應，通過接觸式測量電子束或者光激勵半導體產(chǎn)生的電流或電壓的變化規(guī)律來檢測半導體器件的參數(shù)、功能及工作狀態(tài)。SQUID法則是通過非接觸方式測苣光電流產(chǎn)生的磁場分布來實現(xiàn)pn結(jié)的檢測，但由于磁場變化極其微弱，必須采用超導量子磁強計(SQUID)，檢測儀器系統(tǒng)構(gòu)成非常復雜，且價格昂貴。這幾種方法都不適用于大批量牛產(chǎn)的在線應用。目前在LED生產(chǎn)過程中在線應用的測量方式都是針對封裝完成后的成品檢測，如LED分光分色機等。成品檢測能夠較好地測量LED產(chǎn)品的各種參數(shù)和特性，實現(xiàn)產(chǎn)品的分級，但是不能及早地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量問題，無法阻斷次品的后續(xù)加丁過程，造成材料的浪費，因此研究一種能在LED生產(chǎn)過程中在線檢測的方法顯得非常必要。

針對封裝過程中存在的諸多缺陷(如芯片失效、固晶膠連和焊接質(zhì)量問題等)，本文提出一種應用于LED封裝過程中的非接觸在線檢測方法，通過測量pn結(jié)光生伏特效應在其引線支架中產(chǎn)生的光生電流，分析LED封裝過程中芯片質(zhì)量及芯片與支架之問的電氣連接狀態(tài)|11J。本文就是在此基礎上，進一步分析pn結(jié)光生伏特效應的等效電路，詳細論述半導體材料的各種參數(shù)及等效電路中各電參數(shù)與支架上流過的光牛電流的關(guān)系，并通過實驗分析這些參數(shù)對檢測結(jié)果造成的影響。

2、檢測原理

2.1 pn結(jié)光生伏特效應

光生伏特效應最早是由法國物理學家Becquerel提出來的。當用適當波長的光hv≥Eg，h為普朗克常量，礦為激勵光頻率，Eg為半導體材料的禁帶寬度)照射非均勻半導體(如pn結(jié)等)時，由于內(nèi)建電場的作用(不加外電場)，半導體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢(光生電壓)，對于pn結(jié)，光照產(chǎn)生的載流子各自向相反方向運動，會在pn結(jié)內(nèi)形成自n區(qū)向P區(qū)的光牛電流。這種由內(nèi)建電場引起的光電效應，稱為光生伏特效應[12]。光生電流IL表示為：

式中：A為Pn結(jié)面積，q是電子電量，w是勢壘區(qū)寬度，Ln、Lp，分別為電子、空穴的擴散長度，β是量子產(chǎn)額，即每吸收一個光子產(chǎn)生的電子一空穴對數(shù)，對于LED來說，β一般不大于1，P表示以光子數(shù)計算的平均光強度(即單位時間內(nèi)單位面積被半導體材料吸收的光子數(shù))，它可以通過式(2)獲得。

式中：d是pn結(jié)的厚度，α為半導體材料的吸收系數(shù)，與材料本身、摻雜濃度以及激勵光的波長有關(guān)，P(x)是在pn結(jié)內(nèi)位置算處(假定pn結(jié)表面坐標位置為0)的激勵光強度[13]，表示為：

式中：P0是在pn結(jié)表面的激勵光強度。

根據(jù)愛因斯坦關(guān)系式，電子和空穴的擴散長度Ln和Lp可表示為

式中：KB為玻爾茲曼常數(shù)，T為開氏溫度，μn、μp分別為電子、空穴遷移率，與材料本身、摻雜濃度以及溫度有關(guān)，τn、τp分別為電子、空穴載流子壽命，小注入情況下，有：

式中：pp、nn分別為P區(qū)和n區(qū)多數(shù)載流子的濃度，r稱為電子-空穴復合概率，僅是溫度的函數(shù)，由式(5)可以看出，在小注入條件下，當溫度和摻雜一定時，壽命是一個常數(shù)。這說明，在一定的溫度條件下，電子和空穴的擴散長度Ln和Lp是由構(gòu)成pn結(jié)的半導體材料及其摻雜濃度所決定。

在式(1)中，pn結(jié)的結(jié)面積A及勢壘區(qū)寬度w都是與LED器件結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)。如果Ln、Lp>>w，則勢壘區(qū)對光生電流的作用可以忽略。而對于pn結(jié)的結(jié)面積A。一般認為，尺寸相同的LED的結(jié)面積A是相等的。對一種常用的GaP材料制成的12mil紅光LED，芯片面積A=0.3 ×0.3mm2時，若β=1，當單位時間內(nèi)單位面積被半導體材料吸收的平均光強度P(以光子數(shù)計)為5.45 ×1021/m2s，理論計算可產(chǎn)生的光生電流為101μA。

由前面的分析可以看出：

1)對于不同顏色的LED，由于制成pn結(jié)的材料和結(jié)構(gòu)都存在差異，光生電流IL不僅與pn結(jié)表面光照強度P0有關(guān)，式(1)中描述的其它參數(shù)也會對其產(chǎn)生影響，包括由pn結(jié)材料及摻雜決定的電子、空穴的擴散長度Ln、Lp和材料的吸收系數(shù)α，以及與LED器件結(jié)構(gòu)有關(guān)的pn結(jié)面積A，勢壘寬度w和pn結(jié)厚度d;

2)對于相同顏色同種類型且功能完好的LED，因為材料和結(jié)構(gòu)都相同，參數(shù)相同，因此產(chǎn)生的光生電流IL。相等，但若LED pn結(jié)功能失效，不產(chǎn)生光生伏特效應，光生電流IL的值為0;

3)對于某一確定的LED芯片，若芯片功能完好，產(chǎn)生的光生電流IL與光照強度P0成正比。

2.2光生伏特效應的等效電路

在本文的檢測方法中，是通過測量pn結(jié)光生伏特效應在其引線支架中產(chǎn)生的光生電流，來分析LED封裝過程中芯片質(zhì)量及芯片與支架之間的連接狀態(tài)，而實際待檢測的LED并不是一個理想的器件，由于二極管的內(nèi)阻，并聯(lián)電阻及串聯(lián)電阻的作用，pn結(jié)光生伏特效應產(chǎn)生的光生電流IL并不完全等于流過支架的光生電流，因此支架上流過的電流大小還反映了LED某些電參數(shù)的狀態(tài)。

若將引線支架的內(nèi)阻RL看作是光照時LED的負載，pn結(jié)光生伏特效應產(chǎn)生的光生電流IL作為一個恒流源，則光照時I,ED的等效電路如圖l所示[14]。圖1中，Rsh是并聯(lián)電阻，包括pn結(jié)內(nèi)的漏電阻以及結(jié)邊緣的漏電阻，Rs1是P區(qū)和n區(qū)的體電阻，尺吐包括電極的電阻以及電極和結(jié)之間的接觸電阻，Rs=Rs1+Rs2稱為LED的串聯(lián)電阻，I是引線支架上流過的電流，后面也稱做負載電流，IF是流過理想二極管D的正向電流，它與二極管兩端的電壓VD滿足關(guān)系式，

式中Is是反向飽和電流，η是與LED電流復合機制有關(guān)的一個參數(shù)，不同類型LED的η值不同。

根據(jù)圖l所示的等效電路，可以得到光生電流IL與支架上流過的電流I的關(guān)系為：

由式(6)和式(7)可以看出，支架上流過的電流I與LED的多個電參數(shù)都有關(guān)系。對于相同顏色同種類型且功能完好的不同I,ED樣品，因為材料和結(jié)構(gòu)都相同，其體電阻Rs1并聯(lián)電阻Rsh以及電流電壓關(guān)系也認為是相同的。而封裝過程中存在的諸多缺陷(固晶膠連或焊接質(zhì)量問題)則會導致不同LED的電極電阻及電極和結(jié)之間的接觸電阻Rs2存在差異。由于Rs為一低電阻，小于1Ω 歐姆，Rsh止為一高電阻，約有幾kΩ，LED引線支架的電阻也非常小，一般在mΩ量級，因此有時不考慮Rsh和RL的影響，則光生電流IL與支架上流過的電流，的關(guān)系式以簡化為：

對于2.1節(jié)所述的紅色LED樣品，當產(chǎn)生的光生電流IL為101μA時，若取串聯(lián)電阻Rs=1Ω，AR正=0.1 Ω，根據(jù)式(8)，則支架上流過的電流，的變化略小于10%。這說明，接觸電阻的微小差異都會對支架上流過的光生電流I產(chǎn)生較大的影響。因此。對于功能完好的LED芯片，通過分析支架上流過的光生電流，可以獲得接觸電阻的大小，進而可以檢測LED封裝過程中芯片與引線支架之間的電氣連接狀態(tài)。