采用光生伏特效应的LED芯片在检测方法上的研究

摘要：基于pn结的光生伏特效应，本文研究了一种非接触式LED芯片在线检测方法。通过测量pn结光生伏特效应在引线支架中产生的光生电流，检测LED封装过程中芯片质镀及芯片与支架之间的电气连接状态。通过分析pn结光生伏特效应的等效电路，详细论述了半导体材料的各种参数及等效电路中各电参数与支架上流过的光生电流的关系。实验对各种不同颜色的LED样品进行了测量。研究表明，该方法可以实现LED芯片的在线检测，有较大的应用价值。

1、引言

发光二极管(LED)以其体积小、响应速度快、寿命长、可靠性高、功耗低等优点已广泛应用于指示、显示、普通照明等领域[1-3]。随着其应用范围的不断扩大，提高LED产品的可靠性和稳定性，降低其生产成本成为不可忽视的问题，因此LED生产过程中的质量检测显得尤为重要。

目前对LED的检测主要集中在封装前的晶片检测及封装完成后的成品检测。晶片检测主要是针对LED的核心结构pn结的检测，包括EBIC(electronbeam induced current)【4-5】别、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法都是基于半导体的光电效应，通过接触式测量电子束或者光激励半导体产生的电流或电压的变化规律来检测半导体器件的参数、功能及工作状态。SQUID法则是通过非接触方式测苣光电流产生的磁场分布来实现pn结的检测，但由于磁场变化极其微弱，必须采用超导量子磁强计(SQUID)，检测仪器系统构成非常复杂，且价格昂贵。这几种方法都不适用于大批量牛产的在线应用。目前在LED生产过程中在线应用的测量方式都是针对封装完成后的成品检测，如LED分光分色机等。成品检测能够较好地测量LED产品的各种参数和特性，实现产品的分级，但是不能及早地发现产品的质量问题，无法阻断次品的后续加丁过程，造成材料的浪费，因此研究一种能在LED生产过程中在线检测的方法显得非常必要。

针对封装过程中存在的诸多缺陷(如芯片失效、固晶胶连和焊接质量问题等)，本文提出一种应用于LED封装过程中的非接触在线检测方法，通过测量pn结光生伏特效应在其引线支架中产生的光生电流，分析LED封装过程中芯片质量及芯片与支架之问的电气连接状态|11J。本文就是在此基础上，进一步分析pn结光生伏特效应的等效电路，详细论述半导体材料的各种参数及等效电路中各电参数与支架上流过的光牛电流的关系，并通过实验分析这些参数对检测结果造成的影响。

2、检测原理

2.1 pn结光生伏特效应

光生伏特效应最早是由法国物理学家Becquerel提出来的。当用适当波长的光hv≥Eg，h为普朗克常量，矿为激励光频率，Eg为半导体材料的禁带宽度)照射非均匀半导体(如pn结等)时，由于内建电场的作用(不加外电场)，半导体内部产生电动势(光生电压)，对于pn结，光照产生的载流子各自向相反方向运动，会在pn结内形成自n区向P区的光牛电流。这种由内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应[12]。光生电流IL表示为：

式中：A为Pn结面积，q是电子电量，w是势垒区宽度，Ln、Lp，分别为电子、空穴的扩散长度，β是量子产额，即每吸收一个光子产生的电子一空穴对数，对于LED来说，β一般不大于1，P表示以光子数计算的平均光强度(即单位时间内单位面积被半导体材料吸收的光子数)，它可以通过式(2)获得。

式中：d是pn结的厚度，α为半导体材料的吸收系数，与材料本身、掺杂浓度以及激励光的波长有关，P(x)是在pn结内位置算处(假定pn结表面坐标位置为0)的激励光强度[13]，表示为：

式中：P0是在pn结表面的激励光强度。

根据爱因斯坦关系式，电子和空穴的扩散长度Ln和Lp可表示为

式中：KB为玻尔兹曼常数，T为开氏温度，μn、μp分别为电子、空穴迁移率，与材料本身、掺杂浓度以及温度有关，τn、τp分别为电子、空穴载流子寿命，小注入情况下，有：

式中：pp、nn分别为P区和n区多数载流子的浓度，r称为电子-空穴复合概率，仅是温度的函数，由式(5)可以看出，在小注入条件下，当温度和掺杂一定时，寿命是一个常数。这说明，在一定的温度条件下，电子和空穴的扩散长度Ln和Lp是由构成pn结的半导体材料及其掺杂浓度所决定。

在式(1)中，pn结的结面积A及势垒区宽度w都是与LED器件结构相关的参数。如果Ln、Lp>>w，则势垒区对光生电流的作用可以忽略。而对于pn结的结面积A。一般认为，尺寸相同的LED的结面积A是相等的。对一种常用的GaP材料制成的12mil红光LED，芯片面积A=0.3 ×0.3mm2时，若β=1，当单位时间内单位面积被半导体材料吸收的平均光强度P(以光子数计)为5.45 ×1021/m2s，理论计算可产生的光生电流为101μA。

由前面的分析可以看出：

1)对于不同颜色的LED，由于制成pn结的材料和结构都存在差异，光生电流IL不仅与pn结表面光照强度P0有关，式(1)中描述的其它参数也会对其产生影响，包括由pn结材料及掺杂决定的电子、空穴的扩散长度Ln、Lp和材料的吸收系数α，以及与LED器件结构有关的pn结面积A，势垒宽度w和pn结厚度d;

2)对于相同颜色同种类型且功能完好的LED，因为材料和结构都相同，参数相同，因此产生的光生电流IL。相等，但若LED pn结功能失效，不产生光生伏特效应，光生电流IL的值为0;

3)对于某一确定的LED芯片，若芯片功能完好，产生的光生电流IL与光照强度P0成正比。

2.2光生伏特效应的等效电路

在本文的检测方法中，是通过测量pn结光生伏特效应在其引线支架中产生的光生电流，来分析LED封装过程中芯片质量及芯片与支架之间的连接状态，而实际待检测的LED并不是一个理想的器件，由于二极管的内阻，并联电阻及串联电阻的作用，pn结光生伏特效应产生的光生电流IL并不完全等于流过支架的光生电流，因此支架上流过的电流大小还反映了LED某些电参数的状态。

若将引线支架的内阻RL看作是光照时LED的负载，pn结光生伏特效应产生的光生电流IL作为一个恒流源，则光照时I,ED的等效电路如图l所示[14]。图1中，Rsh是并联电阻，包括pn结内的漏电阻以及结边缘的漏电阻，Rs1是P区和n区的体电阻，尺吐包括电极的电阻以及电极和结之间的接触电阻，Rs=Rs1+Rs2称为LED的串联电阻，I是引线支架上流过的电流，后面也称做负载电流，IF是流过理想二极管D的正向电流，它与二极管两端的电压VD满足关系式，

式中Is是反向饱和电流，η是与LED电流复合机制有关的一个参数，不同类型LED的η值不同。

根据图l所示的等效电路，可以得到光生电流IL与支架上流过的电流I的关系为：

由式(6)和式(7)可以看出，支架上流过的电流I与LED的多个电参数都有关系。对于相同颜色同种类型且功能完好的不同I,ED样品，因为材料和结构都相同，其体电阻Rs1并联电阻Rsh以及电流电压关系也认为是相同的。而封装过程中存在的诸多缺陷(固晶胶连或焊接质量问题)则会导致不同LED的电极电阻及电极和结之间的接触电阻Rs2存在差异。由于Rs为一低电阻，小于1Ω 欧姆，Rsh止为一高电阻，约有几kΩ，LED引线支架的电阻也非常小，一般在mΩ量级，因此有时不考虑Rsh和RL的影响，则光生电流IL与支架上流过的电流，的关系式以简化为：

对于2.1节所述的红色LED样品，当产生的光生电流IL为101μA时，若取串联电阻Rs=1Ω，AR正=0.1 Ω，根据式(8)，则支架上流过的电流，的变化略小于10%。这说明，接触电阻的微小差异都会对支架上流过的光生电流I产生较大的影响。因此。对于功能完好的LED芯片，通过分析支架上流过的光生电流，可以获得接触电阻的大小，进而可以检测LED封装过程中芯片与引线支架之间的电气连接状态。