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(ài)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(kāi)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

　?。ㄒ怨庾訑?shù)計(jì)）為5.45 ×1021/m2s，理論計(jì)算可產(chǎn)生的光生電流為101μA。