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芯片在線檢測方法。通過測量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(yīng)的等效電路，詳細論述了半導(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(yīng)用價值。

　　1 引言

　　發(fā)光二極管（LED）以其體積小、響應(yīng)速度快、壽命長、可靠性高、功耗低等優(yōu)點已廣泛應(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(dǎo)體的光電效應(yīng)，通過接觸式測量電子束或者光激勵半導(dǎo)體產(chǎn)生的電流或電壓的變化規(guī)律來檢測半導(dǎo)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(dǎo)量子磁強計（SQUID），檢測儀器系統(tǒng)構(gòu)成非常復(fù)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(yīng)用。目前在LED生產(chǎn)過程中在線應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(chǔ)上，進一步分析pn結(jié)光生伏特效應(yīng)的等效電路，詳細論述半導(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(yīng)

　　光生伏特效應(yīng)最早是由法國物理學(xué)家Becquerel提出來的。當(dāng)用適當(dāng)波長的光hv≥Eg，h為普朗克常量，礦為激勵光頻率，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，由于內(nèi)建電場的作用（不加外電場），半導(dǎo)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(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(dǎo)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(dǎo)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(biāo)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(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，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(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(dāng)單位時間內(nèi)單位面積被半導(dǎo)體材料吸收的平均光強度P

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