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結光生伏特效應在引線支架中產生的光生電流，檢測LED封裝過程中芯片質鍍及芯片與支架之間的電氣連接狀態(tài)。通過分析pn結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產品的可靠性和穩(wěn)定性，降低其生產成本成為不可忽視的問題，因此LED生產過程中的質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的核心結構pn結的檢測，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生的磁場分布來實現(xiàn)pn結的檢測，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的在線應用。目前在LED生產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產品的各種參數(shù)和特性，實現(xiàn)產品的分級，但是不能及早地發(fā)現(xiàn)產品的質量問題，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結光生伏特效應在其引線支架中產生的光生電流，分析LED封裝過程中芯片質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系，并通過實驗分析這些參數(shù)對檢測結果造成的影響。

2、檢測原理

2.1 pn結光生伏特效應

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結等)時，由于內建電場的作用(不加外電場)，半導體內部產生電動勢(光生電壓)，對于pn結，光照產生的載流子各自向相反方向運動，會在pn結內形成自n區(qū)向P區(qū)的光牛電流。這種由內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是量子產額，即每吸收一個光子產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，P(x)是在pn結內位置算處(假定pn結表面坐標位置為0)的激勵光強度[13]，表示為：

式中：P0是在pn結表面的激勵光強度。

根據(jù)愛因斯坦關系式，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，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是由構成pn結的半導體材料及其摻雜濃度所決定。

在式(1)中，pn結的結面積A及勢壘區(qū)寬度w都是與LED器件結構相關的參數(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結的結面積A。一般認為，尺寸相同的LED的結面積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結的材料和結構都存在差異，光生電流IL不僅與pn結表面光照強度P0有關，式(1)中描述的其它參數(shù)也會對其產生影響，包括由pn結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器件結構有關的pn結面積A，勢壘寬度w和pn結厚度d;

2)對于相同顏色同種類型且功能完好的LED，因為材料和結構都相同，參數(shù)相同，因此產生的光生電流IL。相等，但若LED pn結功能失效，不產生光生伏特效應，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結光生伏特效應在其引線支架中產生的光生電流，來分析LED封裝過程中芯片質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，由于二極管的內阻，并聯(lián)電阻及串聯(lián)電阻的作用，pn結光生伏特效應產生的光生電流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)。

若將引線支架的內阻RL看作是光照時LED的負載，pn結光生伏特效應產生的光生電流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結內的漏電阻以及結邊緣的漏電阻，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滿足關系式，

式中Is是反向飽和電流，η是與LED電流復合機制有關的一個參數(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，因為材料和結構都相同，其體電阻Rs1并聯(lián)電阻Rsh以及電流電壓關系也認為是相同的。而封裝過程中存在的諸多缺陷(固晶膠連或焊接質量問題)則會導致不同LED的電極電阻及電極和結之間的接觸電阻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，的關系式以簡化為：

對于2.1節(jié)所述的紅色LED樣品，當產生的光生電流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)。