采用光生伏特效應(yīng)的LED芯片在檢測(cè)方法上的研究

摘要：基于pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)，本文研究了一種非接觸式LED芯片在線檢測(cè)方法。通過(guò)測(cè)量pn結(jié)光生伏特效應(yīng)在引線支架中產(chǎn)生的光生電流，檢測(cè)LED封裝過(guò)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(guò)分析pn結(jié)光生伏特效應(yīng)的等效電路，詳細(xì)論述了半導(dǎo)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(guò)的光生電流的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)對(duì)各種不同顏色的LED樣品進(jìn)行了測(cè)量。研究表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)LED芯片的在線檢測(cè)，有較大的應(yīng)用價(jià)值。

1、引言

發(fā)光二極管(LED)以其體積小、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、可靠性高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于指示、顯示、普通照明等領(lǐng)域[1-3]。隨著其應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)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(wèn)題，因此LED生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量檢測(cè)顯得尤為重要。

目前對(duì)LED的檢測(cè)主要集中在封裝前的晶片檢測(cè)及封裝完成后的成品檢測(cè)。晶片檢測(cè)主要是針對(duì)LED的核心結(jié)構(gòu)pn結(jié)的檢測(cè)，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(dǎo)體的光電效應(yīng)，通過(guò)接觸式測(cè)量電子束或者光激勵(lì)半導(dǎo)體產(chǎn)生的電流或電壓的變化規(guī)律來(lái)檢測(cè)半導(dǎo)體器件的參數(shù)、功能及工作狀態(tài)。SQUID法則是通過(guò)非接觸方式測(cè)苣光電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布來(lái)實(shí)現(xiàn)pn結(jié)的檢測(cè)，但由于磁場(chǎng)變化極其微弱，必須采用超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)(SQUID)，檢測(cè)儀器系統(tǒng)構(gòu)成非常復(fù)雜，且價(jià)格昂貴。這幾種方法都不適用于大批量牛產(chǎn)的在線應(yīng)用。目前在LED生產(chǎn)過(guò)程中在線應(yīng)用的測(cè)量方式都是針對(duì)封裝完成后的成品檢測(cè)，如LED分光分色機(jī)等。成品檢測(cè)能夠較好地測(cè)量LED產(chǎn)品的各種參數(shù)和特性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的分級(jí)，但是不能及早地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題，無(wú)法阻斷次品的后續(xù)加丁過(guò)程，造成材料的浪費(fèi)，因此研究一種能在LED生產(chǎn)過(guò)程中在線檢測(cè)的方法顯得非常必要。

針對(duì)封裝過(guò)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(wèn)題等)，本文提出一種應(yīng)用于LED封裝過(guò)程中的非接觸在線檢測(cè)方法，通過(guò)測(cè)量pn結(jié)光生伏特效應(yīng)在其引線支架中產(chǎn)生的光生電流，分析LED封裝過(guò)程中芯片質(zhì)量及芯片與支架之問(wèn)的電氣連接狀態(tài)|11J。本文就是在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析pn結(jié)光生伏特效應(yīng)的等效電路，詳細(xì)論述半導(dǎo)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(guò)的光牛電流的關(guān)系，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析這些參數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成的影響。

2、檢測(cè)原理

2.1 pn結(jié)光生伏特效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)最早是由法國(guó)物理學(xué)家Becquerel提出來(lái)的。當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光hv≥Eg，h為普朗克常量，礦為激勵(lì)光頻率，Eg為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度)照射非均勻半導(dǎo)體(如pn結(jié)等)時(shí)，由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用(不加外電場(chǎng))，半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(光生電壓)，對(duì)于pn結(jié)，光照產(chǎn)生的載流子各自向相反方向運(yùn)動(dòng)，會(huì)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(chǎng)引起的光電效應(yīng)，稱為光生伏特效應(yīng)[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(shì)壘區(qū)寬度，Ln、Lp，分別為電子、空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度，β是量子產(chǎn)額，即每吸收一個(gè)光子產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)數(shù)，對(duì)于LED來(lái)說(shuō)，β一般不大于1，P表示以光子數(shù)計(jì)算的平均光強(qiáng)度(即單位時(shí)間內(nèi)單位面積被半導(dǎo)體材料吸收的光子數(shù))，它可以通過(guò)式(2)獲得。

式中：d是pn結(jié)的厚度，α為半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)，與材料本身、摻雜濃度以及激勵(lì)光的波長(zhǎng)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(biāo)位置為0)的激勵(lì)光強(qiáng)度[13]，表示為：

式中：P0是在pn結(jié)表面的激勵(lì)光強(qiáng)度。

根據(jù)愛因斯坦關(guān)系式，電子和空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)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(fù)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(dāng)溫度和摻雜一定時(shí)，壽命是一個(gè)常數(shù)。這說(shuō)明，在一定的溫度條件下，電子和空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度Ln和Lp是由構(gòu)成pn結(jié)的半導(dǎo)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(shì)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(shì)壘區(qū)對(duì)光生電流的作用可以忽略。而對(duì)于pn結(jié)的結(jié)面積A。一般認(rèn)為，尺寸相同的LED的結(jié)面積A是相等的。對(duì)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(shí)，若β=1，當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)單位面積被半導(dǎo)體材料吸收的平均光強(qiáng)度P(以光子數(shù)計(jì))為5.45 ×1021/m2s，理論計(jì)算可產(chǎn)生的光生電流為101μA。

由前面的分析可以看出：

1)對(duì)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(qiáng)度P0有關(guān)，式(1)中描述的其它參數(shù)也會(huì)對(duì)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(kuò)散長(zhǎng)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(shì)壘寬度w和pn結(jié)厚度d;

2)對(duì)于相同顏色同種類型且功能完好的LED，因?yàn)椴牧虾徒Y(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(yīng)，光生電流IL的值為0;

3)對(duì)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(qiáng)度P0成正比。

2.2光生伏特效應(yīng)的等效電路

在本文的檢測(cè)方法中，是通過(guò)測(cè)量pn結(jié)光生伏特效應(yīng)在其引線支架中產(chǎn)生的光生電流，來(lái)分析LED封裝過(guò)程中芯片質(zhì)量及芯片與支架之間的連接狀態(tài)，而實(shí)際待檢測(cè)的LED并不是一個(gè)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(yīng)產(chǎn)生的光生電流IL并不完全等于流過(guò)支架的光生電流，因此支架上流過(guò)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(shí)LED的負(fù)載，pn結(jié)光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生的光生電流IL作為一個(gè)恒流源，則光照時(shí)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L(zhǎng)ED的串聯(lián)電阻，I是引線支架上流過(guò)的電流，后面也稱做負(fù)載電流，IF是流過(guò)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(fù)合機(jī)制有關(guān)的一個(gè)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(guò)的電流I的關(guān)系為：

由式(6)和式(7)可以看出，支架上流過(guò)的電流I與LED的多個(gè)電參數(shù)都有關(guān)系。對(duì)于相同顏色同種類型且功能完好的不同I,ED樣品，因?yàn)椴牧虾徒Y(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(rèn)為是相同的。而封裝過(guò)程中存在的諸多缺陷(固晶膠連或焊接質(zhì)量問(wèn)題)則會(huì)導(dǎo)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(jí)，因此有時(shí)不考慮Rsh和RL的影響，則光生電流IL與支架上流過(guò)的電流，的關(guān)系式以簡(jiǎn)化為：

對(duì)于2.1節(jié)所述的紅色LED樣品，當(dāng)產(chǎn)生的光生電流IL為101μA時(shí)，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(guò)的電流，的變化略小于10%。這說(shuō)明，接觸電阻的微小差異都會(huì)對(duì)支架上流過(guò)的光生電流I產(chǎn)生較大的影響。因此。對(duì)于功能完好的LED芯片，通過(guò)分析支架上流過(guò)的光生電流，可以獲得接觸電阻的大小，進(jìn)而可以檢測(cè)LED封裝過(guò)程中芯片與引線支架之間的電氣連接狀態(tài)。