LED非接触在线检测技术研究

摘要

随着半导体发光材料研究的不断深入及LED制造工艺的不断进步，LED的性能大幅提高，LED作为普通照明光源的应用指日可待。价格昂贵是制约LED照明普及的主要因素之一，而LED芯片的封装是LED生产的主要成本源之一。为了避免次品的后续封装工艺流程，提高产品的成品率，LED封装完成前的检测就成为半导体照明技术发展与产业推广急需解决的关键技术。
　　 本文针对LED芯片制造及封装过程中急需解决的产品质量检测问题，在了解国内外LED检测现状的基础上，根据LED结构特征和发光机理，以及LED在芯片制造及封装工艺上的特点，深入分析了LED光-电和电-光转换特性之间的内在联系，及相同注入强度时光致发光和电致发光下LED的发光特性和电特性，并在此基础上研究了用于封装过程中的LED缺陷检测方法和针对LED晶片、晶圆或单个LED芯片的参数检测方法。具体的研究内容如下：
　　 ①详细阐述了LED的结构特征、工作原理及芯片制造和封装工艺流程，介绍了LED从外延片、晶圆、分割的单个LED芯片到最终LED成品的制造过程以及LED从电能量到光能量的转换机理，指出了LED封装完成前进行检测的必要性。②研究了LED光-电和电-光转换的物理过程，分析了两种能量转换特性之间的内在联系。研究表明，LED的两种转换过程中光强对应电流的变化趋势存在一致性，光-电转换过程中激励光强和光生电流的关系同样也反映了电-光转换过程中发光光强和注入电流的关系，这为LED在线检测方法的研究提供了基础。
　　 ③研究了基于p-n结光生伏特效应的LED缺陷检测方法。针对封装过程中芯片本身及其封装质量问题，根据LED电-光和光-电转换特性之间的内在联系，通过测量光照射LED芯片在焊接连接的引线支架中产生的光生短路电流，检测芯片功能状态及其封装缺陷。分析了LED封装缺陷的种类及缺陷产生的原因，指出焊接缺陷是影响LED封装质量的主要因素，并分析了焊接缺陷对LED发光的影响。详细分析了光生短路电流与LED功能状态及封装缺陷的关系，对各种不同尺寸不同颜色LED进行了实验，表明影响检测信号的是LED材料、结构参数以及焊接缺陷引起的串联电阻变化，这些正是与LED功能状态和封装缺陷有关的参数。研究表明，该方法可实现多种颜色LED芯片的非接触在线缺陷检测。
　　 ④分析了相同注入强度下LED光致发光和电致发光特性，重点研究了两种不同注入方式下LED发光特性和电特性的差异。不同注入方式引起不同的热效应，导致了相同注入强度下LED的光致发光和电致发光特性有差异。光注入形式下，由于有更多的因素导致热能的增加，因此结温比同等注入强度下电致发光时LED的结温高，使得光致发光光谱形状与电致发光不同，发光强度较电致发光降低，峰值波长较电致发光红移，半高宽较电致发光增大，LED两端的电压也比电注入形式下低。分析表明，以短时脉冲光激励LED或者采用其他减少激励光辐射能量积累的方式，使光致发光下p-n结的温度接近于电致发光下p-n结的温度，可以使相同注入强度时光致发光和电致发光下LED的发光特性和电特性趋于一致。
　　 ⑤根据相同注入强度下LED光致发光和电致发光的内在联系，以短时脉冲光照射LED产生光致发光或者采用其他减少激励光辐射能量积累的方式，使光致发光下p-n结的温度接近于电致发光下p-n结的温度，此时光致发光特性能较好地反映电致发光下LED的发光特性和电特性，在此基础上，研究了利用LED光致发光谱估计LED的光谱特性和电特性参数(包括正向电流、正向电压、电流-电压特性，反向饱和电流)的方法。研究表明，估计的参数与电致发光下实际测量的参数能较好地符合。
　　 最后，总结了全文研究工作和创新之处，指出了论文的不足及有待深入研究的问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1问题的提出及研究意义

1.1.1问题的提出

1.1.2研究的意义

1.2国内外研究现状

1.2.1 LED检测方法现状

1.2.2 LED检测仪器及设备现状

1.2.3 LED检测技术存在的问题

1.3本文主要研究内容

1.4本章小结

2 LED原理和器件

2.1 LED工作原理

2.2 LED芯片制造及封装工艺

2.2.1外延片的制备

2.2.2芯片制造

2.2.3芯片封装

2.3 LED的结构特征

2.3.1芯片结构

2.3.2封装结构

2.4 LED检测的主要参数

2.4.1光参数

2.4.2电参数

2.5本章小结

3 LED的光-电和电-光转换特性研究

3.1 LED的电-光转换特性

3.1.1载流子注入

3.1.2过剩载流子复合

3.1.3光能传输

3.2 LED的光-电转换特性

3.3 LED光-电转换和电-光转换的内在联系分析

3.4本章小结

4采用光生伏特效应的LED缺陷检测方法研究

4.1 LED封装缺陷的产生及影响

4.1.1 LED封装缺陷的种类

4.1.2焊接缺陷

4.1.3 LED缺陷对发光的影响

4.2 LED封装在线检测的基本原理

4.2.1检测原理

4.2.2 LED支架上电流分析

4.2.3光生伏特效应的等效电路

4.3光生电流的检测

4.3.1电流检测方法概述

4.3.2光生电流的检测

4.3.3 LC谐振回路

4.4实验结果及分析

4.4.1实验条件

4.4.2相同尺寸、不同颜色LED芯片的检测信号分析

4.4.3不同尺寸、相同颜色LED芯片的检测信号分析

4.4.4相同尺寸、相同颜色LED芯片的检测信号分析

4.4.5串联电阻的影响

4.5检测仪器系统

4.6本章小结

5 LED电致发光和光致发光特性研究

5.1光致发光和电致发光

5.2 LED的发光光谱

5.2.1带间的直接复合跃迁

5.2.2施主和受主之间的跃迁复合

5.3 LED的电特性分析

5.4光致发光和电致发光特性的实验分析

5.4.1不同注入方式下LED的发光特性

5.4.2不同注入方式下LED的电特性

5.4.3温度的影响

5.5本章小结

6采用光致发光的LED参数检测方法研究

6.1 LED参数的检测

6.1.1正向电流的检测

6.1.2 正向电压的检测

6.1.3反向饱和电流的检测

6.1.4 I-V曲线的检测

6.2检测中参数的估计

6.2.1 p-n结温度的估计

6.2.2理想因子n的确定

6.2.3初始电压VF0的确定

6.3实验结果与讨论

6.3.1实验条件

6.3.2正向电流的估计

6.3.3正向电压的估计

6.3.4 I-V曲线的估计

6.4本章小结

7全文总结及研究工作展望

7.1全文总结

7.2研究工作展望

致 谢

参考文献

附 录：攻读博士学位期间发表的相关论文和参与申请的专利