用于非接触式测量P-N结的正向电压、饱和电流密度、理想因子及电流-电压曲线的方法及设备

摘要

非接触式测量p-n结的一或多个电响应特性包含：用第一强度的光照明所述p-n结的表面，所述第一强度的光具有足以建立所述p-n结的结光电压JPV的稳态条件的调制或脉冲式特性；测量来自所述照明区域内的所述p-n结的第一JPV；用额外强度的光照明所述p-n结的所述表面；测量来自所述照明区域内的所述p-n结的所述部分的额外光电压；确定所述第一强度下所述p-n结的光电流密度。所述非接触式测量进一步包含用所述p-n结的所述经测量第一光电压、所述经测量额外光电压及/或所述经确定光电流密度确定正向电压、饱和电流密度、理想因子或一或多个I-V曲线。

说明书

相关申请案的交叉参考

本申请案依据35U.S.C.§119(e)规定主张于2013年10月17日申请的第61/892,382 号美国临时申请案及于2013年9月4日申请的第61/873,577号美国临时申请案的权利。 所述第61/892,382号美国临时申请案及所述第61/873,577号美国临时申请案的全文以引 用的方式并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及非接触式测量半导体衬底的p-n结的各种电响应特性，且特定地 说，涉及一种用于测量异质结式或同质结式p-n结的各种响应特性的非接触式结光电压 技术。

背景技术

随着对改善的半导体装置性能的需求继续增大，对改的进半导体装置特性化技术的 需求也增大。半导体晶片(例如硅晶片)在装置结构的制造中起重要作用。此类装置结构 包含但不限于用于发光二极管的半导体结构(例如，MOCVD生长结构)、低能量植入及 激光退火的超浅结、半导体太阳能电池及p-n结薄膜太阳能电池。对p-n结装置质量的 改进监测在高级半导体装置制造的发展中是关键的。当前使用多种监测及测量技术来监 测装置质量。当前所用跟踪技术包含多种非接触式及接触式测量技术。

在特性化二极管装置性能时通常使用电流-电压(I-V)曲线。通常用源测量单元测量 I-V曲线，所述源测量单元引起预定电流且在预定范围内扫描此电流。记录迫使电流通 过给定装置所需要的电压，且所述源测量单元报告产生I-V曲线的成对数据点的集合。 I-V曲线对装置研究者及制造者非常重要，这是因为经测量数据可与已知方程式拟合， 所述已知方程式描述给定装置的行为。参数可提取自拟合且提供对经测量装置的质量的 有意义洞察以及潜在的未来可靠度。I-V曲线通常在现有技术中受限，这是因为将源测 量单元用于装置测试需要成品装置。此特别成问题，这是因为许多基于结二极管的装置 在前端处理步骤之后获取其固有电子功能，其中在所述装置制成之前且在所述装置可测 试前需要额外的昂贵后端步骤。

一种特定测量技术包含四点探针技术。高级4PP技术可允许对p-n结的薄层进行电 阻测量及导电率测量。使用四点探针(4PP)来测量p-n结的薄层电阻及导电率大体上描述 于2010年5月11日颁布的美国专利7,714,596中，所述专利的全文以引用的方式并入 本文中。四点探针技术具有多种缺点。例如，四点探针技术难以以一非破坏性内联能力 实施。此外，p-n结导电率通常在低反向偏压下测量且主要取决于分流电阻，而真实装 置(例如，LED、太阳能电池等)的I-V曲线特性主要取决于高正向偏压条件下的重组特 性。

用于测量I-V曲线及电致发光的额外技术包含弹簧负载探针接触式技术。弹簧负载 探针接触式测量技术大体上描述于以下专利中：2010年3月16日颁布的第7,679,381 号美国专利；2011年12月21日申请的第2013/0043875号美国专利公开案；及2011年 12月21日申请的第2013/0046496号美国专利公开案中，所述专利的全文各自以引用的 方式并入本文中。弹簧负载探针技术是基于对I-V曲线及由正向电压激发的电致发光强 度的测量，所述正向电压相对于通过晶片边沿与第二探针连接的结的底部n层施加于弹 簧负载探针。此技术也具有许多缺点。此技术的主要缺点中的一者包含无法考虑p-n结 层中的横向电流(其取决于薄层电阻)，且尤其在反向偏压下导致经测量电流密度减小。 此外，此方法遭受与污染的相关测量假像的存在、高接触式电阻、对准困难、颗粒的存 在等。

显然现有技术包含多个缺陷。因此，将需要提供一种消除上述现有技术的这些缺陷 的方法及系统。

发明内容

根据本发明的一个实施例，揭示一种用于非接触式测量p-n结的一或多个特性的设 备。在一个说明性实施例中，所述设备可包含照明单元，其用于用一或多个所选择强度 及一或多个所选择频率的光照明p-n结的表面。在另一说明性实施例中，所述设备可包 含测量单元，其包含至少第一测量元件，所述第一测量元件包含第一透明电极，所述第 一透明电极定位为接近于p-n结且经配置以将来自照明单元的光透射到p-n结的表面。 在一个说明性实施例中，第一透明电极具有第一区域，其用于测量与经照明区域内的第 一区域对应的结光电压。在另一说明性实施例中，第一电极的第一区域小于由照明子系 统照明的区域以限制结光电压的横向扩展对结光电压的测量的影响。在另一说明性实施 例中，所述设备可包含第二测量元件，其包含具有第二区域的第二电极。在另一说明性 实施例中，所述第二电极可定位于照明区域内及第一电极的第一区域外。在另一说明性 实施例中，第二电极及第一电极经配置以监测结光电压的一维条件。

在另一说明性实施例中，所述设备包含控制器，其至少通信地耦合到测量单元及照 明单元。在一个说明性实施例中，所述控制器可控制来自照明单元的光的光强度或频率 中的至少一者。在另一说明性实施例中，所述控制器可从测量单元接收在一或多个所选 择光强度及一或多个所选择频率下进行的结光电压或电容中的至少一者的一或多次测 量。在另一说明性实施例中，所述控制器可用从测量单元接收的结光电压的一或多次测 量确定以下至少一者：p-n结的光电流密度、p-n结的正向电压、p-n结的饱和电流密度、 p-n结的理想因子或p-n结的一或多个I-V曲线。

在另一说明性实施例中，所述设备包含振动元件，其经配置以机械地驱动至少第一 透明电极的运动。在另一说明性实施例中，所述控制器经配置以通过计算以下两者之间 的差而测量一或多个结光电压值：在暗照明条件期间用振动的第一透明电极测量的第一 表面电势与在第一强度的光照明期间于稳态条件中用振动的第一透明电极测量的额外 表面电势。

根据本发明的一个实施例，揭示一种用于非接触式测量p-n结的一或多个特性的方 法。在一个说明性实施例中，所述方法包含用第一强度的光照明p-n结的表面的照明区 域，其中所述第一强度的光足以建立p-n结的结光电压的稳态条件。在另一说明性实施 例中，所述方法包含用定位于照明区域内且接近于p-n结的表面的透明电极测量来自由 第一强度的光照明的照明区域内的p-n结的部分的第一结光电压。在另一说明性实施例 中，所述方法包含用额外强度的光照明p-n结的表面区域，其中所述额外强度的光足以 建立p-n结的结光电压的稳态条件。在另一说明性实施例中，所述方法包含用透明电极 测量来自由额外强度的光照明的照明区域内的p-n结的部分的额外光电压。在另一说明 性实施例中，所述方法包含确定第一强度下p-n结的光电流密度。在另一说明性实施例 中，所述方法包含用p-n结的经测量第一光电压、经测量额外光电压或经确定光电流密 度中的至少一者确定p-n结的正向电压、p-n结的饱和电流密度或理想因子中的至少一 者。在另一说明性实施例中，所述方法包含通过在多个照明强度中的每一者下获取结光 电压及对应光电流(或光电流密度)而产生p-n结的一或多个I-V曲线。

根据本发明的一个实施例，揭示一种用于非接触式测量p-n结的一或多个特性的方 法。在一个说明性实施例中，所述方法包含用第一强度的光照明p-n结的表面的照明区 域，其中所述第一强度的光足以建立p-n结的结光电压的稳态条件。在另一说明性实施 例中，所述方法包含用第一透明电极测量来自由第一强度的光照明的照明区域内的p-n 结的部分的第一结光电压，所述第一透明电极具有第一区域且定位于照明区域内且接近 于p-n结的表面。在另一说明性实施例中，所述方法包含用额外强度的光照明p-n结的 表面的照明区域，其中所述额外强度的光足以建立p-n结的结光电压的稳态条件。在另 一说明性实施例中，所述方法包含用第一透明电极测量来自由额外强度的光照明的照明 区域内的p-n结的部分的额外光电压。在另一说明性实施例中，所述方法包含通过用定 位于照明区域内且接近于p-n结的表面的第二透明电极测量来自照明区域内的p-n结的 部分的结光电压而监测第一结光电压或额外结电压中的至少一者的一维特性，所述第二 透明电极具有在第一透明电极的第一区域外部的第二区域。在另一说明性实施例中，所 述方法包含在调制频率下用第一强度的光照明p-n结的表面的照明区域，所述调制频率 足以实现p-n结的结光电压的非稳态条件。在另一说明性实施例中，所述方法包含用第 一透明电极测量来自照明区域内的p-n结的部分的高频结光电压。在另一说明性实施例 中，所述方法包含获取p-n结的电容。在另一说明性实施例中，所述方法包含用p-n结 的高频结电压、p-n结的电容及调制频率中的至少一者确定p-n结的光电流密度。在另 一说明性实施例中，所述方法包含用p-n结的经测量第一光电压、经测量额外光电压或 经确定光电流密度中的至少一者确定p-n结的正向电压、p-n结的饱和电流密度或p-n 结的理想因子中的至少一者。在另一说明性实施例中，所述方法包含通过在多个照明强 度中的每一者下获取结光电压及对应光电流而产生p-n结的一或多个I-V曲线。

根据本发明的一个实施例，揭示一种用于非接触式测量p-n结的一或多个特性的方 法。在一个说明性实施例中，所述方法包含用第一强度的光照明p-n结的表面的区域， 其中所述第一强度的光足以建立p-n结的结光电压的稳态条件。在另一说明性实施例 中，所述方法包含通过确定以下两者之间的差而测量来自照明区域内的p-n结的一部分 的第一结光电压：在暗照明条件期间用第一振动透明电极测量的第一表面电势与在第一 强度的光照明期间于稳态条件中用第一振动透明电极测量的额外表面电势。在另一说明 性实施例中，所述方法包含用额外强度的光照明p-n结的表面区域，其中所述额外强度 的光足以建立p-n结的结光电压的稳态条件。在另一说明性实施例中，所述方法包含通 过确定以下两者之间的差而测量来自照明区域内的p-n结的部分的额外光电压：在暗照 明条件期间用第一振动透明电极测量的第一表面电势与在额外强度的光照明期间于稳 态条件中用第一振动透明电极测量的额外表面电势。在另一说明性实施例中，所述方法 包含通过用定位于照明区域内且接近于p-n结的表面的第二振动透明电极测量来自照明 区域内的p-n结的部分的结光电压而监测第一结光电压或额外结电压中的至少一者的一 维特性，所述第二振动透明电极具有在第一透明电极的第一区域外部的第二区域。在另 一说明性实施例中，所述方法包含确定第一强度下p-n结的光电流密度。在另一说明性 实施例中，所述方法包含用p-n结的经测量第一光电压、经测量额外光电压或经确定光 电流密度中的至少一者确定p-n结的正向电压、p-n结的饱和电流密度或理想因子中的 至少一者。在另一说明性实施例中，所述方法包含通过在多个照明强度中的每一者下获 取结光电压及对应光电流而产生p-n结的一或多个I-V曲线。

应了解，以上概述及下文详细描述只是示范性及解释性的且不一定限制如所主张的 本发明。并入本说明书中且构成其部分的附图说明本发明的实施例并连同概述用于说明 本发明的原理。

附图说明

所属领域技术人员可通过参考附图更好地理解本发明的众多优点，其中：

图1A是说明根据本发明的一个实施例的用于非接触式测量p-n结的一或多个特性 的设备的框图。

图1B说明根据本发明的一个实施例的安置于透明元件上的第一透明电极的俯视 图。

图1C是说明根据本发明的一个实施例的用于非接触式测量p-n结的一或多个特性 的设备的框图。

图1D说明根据本发明的一个实施例的定位于安置于透明元件上的第一透明电极外 的第二外围透明电极的俯视图。

图1E说明根据本发明的一个实施例的依据如从中心透明电极的中心测量的半径变 化的结光电压信号的图表。

图1F是说明根据本发明的一个实施例的用于非接触式测量p-n结的一或多个特性 的设备的框图。

图1G说明根据本发明的一个实施例的脉冲照明信号、由脉冲信号激发的结光电压 及经激发结光电压的导数的图表。

图2是说明根据本发明的一个实施例的用于非接触式测量p-n结的一或多个特性的 方法的流程图。

图3A到3B是说明根据本发明的一个实施例的用于非接触式测量p-n结的一或多个 特性的方法的流程图。

图4是说明根据本发明的一个实施例的用于非接触式测量p-n结的一或多个特性的 设备的框图，所述装置经配置以经由透明电极的振动执行表面电势测量。

图5是说明根据本发明的一个实施例的用于非接触式测量p-n结的一或多个特性的 方法的流程图。

具体实施方式

现将详细参考附图中说明的所揭示的标的物。

大体上参考图1A到5，根据本发明描述用于非接触式测量p-n结的一或多个特性的系 统及方法。本发明的实施例涉及适于测量半导体衬底的p-n结(例如异质结或同质结)的各 种电响应特性的非接触式结光电压(JPV)技术。

贯穿本发明描述的非接触式测量技术提供p-n结的一或多个特性的精确测量及映射。 本发明的非接触式测量技术提供p-n结的正向电压、饱和电流密度及理想因子的测量及映 射。通过非限制性实例，贯穿本发明描述的技术可提供发光二极管(LED)的半导体结构 (例如，MOCVD生长的半导体结构)、低能量植入及激光退火的超浅结、太阳能电池(例 如，硅太阳能电池)及薄膜太阳能电池中的同质或异质p-n结的正向电压、饱和电流密度、 理想因子及I-V曲线的监测。

本发明的实施例及技术尤其可用于在高光强度及高正向偏压条件下独立于横向JPV 扩展而测量及映射产品晶片上的同质或异质p-n结的饱和电流密度及理想因子。可使用本 发明的实施例及技术以在金属化之前且在不接触经测量装置的情况下测量外部量子效 率(且因此光电流密度)。本发明的实施例及技术尤其可用于监测超浅结的毫秒退火条件， 这是因为在高正向偏压下泄漏电流对末端损伤更敏感。

可使用在多个照明强度及/或一或多个光电流密度下获得的p-n结的一或多个经测量 光电压的经测量量求得上述特性中的一或多者。此外，本发明通过映射出在多个照明强 度及/或调制频率下获取的多个光电压及光电流而提供p-n结的一或多个I-V曲线的测量。 通过非限制性实例，本发明的实施例及技术可用于在装置的制造及金属化之前测量LED 及PV晶片或结构的非接触式正向电压I-V曲线。

本发明的一些实施例用于监测由大面积p-n结中的光载流子的横向漂移引起的横向 JPV扩展。本文中应进一步注意，已实施高级二维结光电压理论技术以优化或至少改进 贯穿本发明描述的各种特性的探针设计及测量。

如贯穿本发明描述，本发明的一些实施例用于使用一或多个透明电极测量一或多个 结光电压信号，借此所述一或多个透明电极(及对应电路)可测量由经调制照明信号激发 的稳态JPV信号，所述经调制照明信号具有足够低以引起JPV信号的稳态行为的频率。本 发明的其它实施例可利用非接触式差分表面电势技术(例如，凯尔文(Kelvin)探针技术) 测量稳态JPV信号。本发明的额外实施例可经由一或多个p-n结中的非稳态JPV信号的测 量连同对应的p-n结电容值(例如，经测量值、经计算值或用户输入的值)而测量光电流密 度，所述非稳态JPV信号可通过将所述经调制照明信号的调制频率增大到足够的电平而 产生。

用于在低正向偏压条件下测量p-n结的薄层电阻及导电率的非接触式结光电压技术 描述于7,019,513颁布的V.法菲尔(V.Faifer)等人的美国专利7,019,513中，所述专利的全文 以引用的方式并入本文中。此技术限于测量测试及校准晶片的给定照明区域的内部及的 外部的结光电压。

少数特性的扩散长度的凯尔文探针测量描述于1997年9月2日颁布的拉格司基 (Lagowski)等人的第5,663,657号美国专利中，所述专利的全文以引用的方式并入本文中。 用来测量近表面掺杂的凯尔文探针技术描述于1993年6月1日颁布的冯克(Verkuil)等人的 第5,216,362号美国专利中，所述专利的全文以引用的方式并入本文中。

图1A到1G说明根据本发明的一或多个实施例的用于测量一或多个p-n结的一或多个 特性的系统100。在一些实施方案中，由系统100测量的一或多个特性包含以下至少一者： 一或多个p-n结的光电流密度、正向电压、饱和电流密度、理想因子或一或多个I-V曲线。

现参考图1A，在一个实施例中，系统100包含照明单元102、测量单元104以及通信 地耦合到照明单元102及测量单元104的控制器106。在一个实施例中，控制器106经配置 以引导照明单元102用具有一或多个所选择特性(例如，强度、调制频率等)的光照明包含 p-n结103的半导体衬底。继而，控制器106可从测量单元104接收p-n结的电响应特性(例 如JPV)的测量。此外，控制器106可基于所述经测量特性及贯穿本发明描述的各种关系 式确定一或多个p-n结103的光电流密度、正向电压、饱和电流密度、理想因子及/或一或 多个I-V曲线。

在一个实施例中，包含一或多个p-n结103的半导体衬底安置于夹盘105上。在另一实 施例中，夹盘105包含导电夹盘(例如，金属夹盘)。在另一实施例中，夹盘105包含连接 到地面的金属夹盘。本文中应注意，夹盘不限于导电或金属夹盘且仅仅出于说明性目的 提供上文描述。例如，夹盘可包含非导电夹盘。在另一实施例中，本发明的一或多个校 准信号可施加于衬底103的边沿(而非通过夹盘105，如本文中进一步描述)。

在一个实施例中，照明单元102用光104照明包含p-n结103的半导体衬底的区域。在 另一实施例中，照明单元102用一或多个所选择强度的光照明p-n结103的表面。在另一实 施例中，照明单元102用一或多个所选择调制频率的光照明p-n结103的表面。例如，照明 源108可输出在所选择调制频率下调制的经调制光信号。例如，所述调制频率可对应于 稳态条件或非稳态条件。通过另一实例，照明源108可输出脉冲式光信号。在另一实施 例中，照明单元102用包含所选择波长或波长范围的光照明p-n结103的表面。

照明源108可包含所属领域中已知适于提供经调制光或脉冲式光的任何照明源。例 如，照明单元102可包含例如但不限于发光二极管(LED)、多个LED、一或多个激光器、 闪光灯或快门式灯等的照明源108。对于本发明的其余部分，在LED的背景下描述照明 单元102的照明源108。本文中应注意，照明源108不限于LED且仅仅出于清楚目的提供 此简化，且本文中预期照明源108可包含任何额外类型的光源(例如，激光器)。

在另一实施例中，照明单元102包含耦合到LED108及控制器106的信号产生器110。 就此而言，控制器106可引导信号产生器110驱动LED108以产生所需照明输出。例如， 信号产生器110可引起LED108输出具有所选择调制频率的经调制光信号。例如，信号产 生器110可引起LED108输出具有足够低以引起p-n结103的经激发JPV信号的稳态条件的 调制频率的经调制光信号。通过另一实例，信号产生器110可引起LED108输出具有足够 高以引起p-n结103的经激发JPV信号的非稳态条件的调制频率的经调制光信号。通过另 一实例，信号产生器110可引起LED108在所选择时间输出光脉冲(即，脉冲式光信号)。

在另一实施例中，测量单元104包含第一测量元件112，其用于测量p-n结103的经照 明区域内的所选择区域的JPV信号。在一个实施例中，第一测量元件112包含第一透明电 极114，其定位为接近p-n结103且经配置以将来自LED108的光透射到p-n结103的表面。 就此而言，第一透明电极114具有第一区域，其用于测量对应p-n结103的经照明区域101 内的第一区域(即，第一电极114所对向的区域)的JPV。如本文中进一步额外详细描述， 选择小于照明区域101的电极114的区域有助于限制结光电压的横向扩展对JPV信号的测 量的影响。

在另一实施例中，第一透明电极114安置于透明元件120的表面上。就此而言，第一 透明电极114可安置于透明元件120的面向p-n结103的表面上，如图1A中所示。在一个实 施例中，第一透明电极114可安置于透明元件120的底面上。在另一实施例中，透明元件 120可包含但不限于一或多个透明板120，如图1A中所示。例如，所述透明元件可包含但 不限于玻璃板。本文中应注意，透明元件120的构造不限于玻璃板或单一板配置。而是， 仅仅出于说明性目的提供上文提供的描述。本文中应注意，对由照明单元102发射的照 明透明的任何材料适于在本发明的背景内实施。此外，透明元件120可包含多个透明板 或适于紧固电极的替代结构。

在另一实施例中，额外透明电极122安置于透明元件120的与第一透明电极114相对 的表面上。例如，如图1A中所示，额外透明电极122可安置于透明元件120的顶面上。本 文中应认知，虽然本发明将额外透明电极122及第一透明电极114描述为安置于共同透明 板上(如图1A中所示)，但是本文中应预期，电极114、122可以所属领域中已知的任何方 式彼此空间上紧固及/或彼此电绝缘。例如，电极114及122可各自安置于单独的空间分离 透明板(未展示)上。例如，第一透明板可用来紧固第一透明电极114，而定位于所述第一 透明板上方的第二透明板可用来紧固额外透明电极122。

在另一实施例中，顶部电极122连接到接地以限制与LED108相关联的电场对第一透 明电极114的影响。在另一实施例中，顶部透明电极122耦合到接地屏蔽元件124。例如， 所述接地屏蔽元件可包含但不限于环形接地屏蔽元件。本文中应注意，所述接地屏蔽元 件不限于环形形状，且应进一步注意，接地屏蔽元件124可采取所属领域中已知的任何 合适形状，例如但不限于圆形环、方形环、多边形环、椭圆形环等。应进一步注意，接 地屏蔽元件124不限于图1A中描绘的平面配置，所述平面配置仅仅是出于说明性目的而 提供。例如，接地屏蔽元件124可采取任何形状，例如但不限于管。

在另一实施例中，照明单元102可包含一或多个照明光学元件。在一个实施例中， 照明单元102包含一或多个透镜107。在一个实施例中，透镜107使LED108的输出与p-n 结103的表面光学耦合。就此而言，来自LED108的照明101可在照射于p-n结103表面上 之前穿过透镜107、顶部透明电极122、透明板120及底部第一透明电极114，如图1A中所 示。本文中应注意，系统100可包含所属领域中已知适于收集、聚焦、引导及/或过滤由 LED108发射的照明的任何光学元件。

在另一实施例中，测量单元104的第一测量元件112包含经配置以在经测量信号传输 到控制器106之前对其进行处理的一或多个信号处理元件。例如，测量单元104可包含但 不限于用于放大来自电极114的信号的前置放大器116。在另一实施例中，测量单元104 包含解调器及/或检测器118。此外，在放大、解调及/或检测之后，由控制器106的接口 接收来自电极114的信号。在另一实施例中，系统100包含经配置以检测及/或监测由LED 108发射的照明的一或多个特性(例如，强度、调制频率等)的光检测器单元115。在一个 实施例中，光检测器单元115包含光束分离器111。在另一实施例中，检测器单元115包含 光检测元件109。例如，光检测元件109可包含但不限于一或多个光二极管109。在一个 实施例中，光束分离器111可将来自LED108的初始照明的部分引导到检测元件109。在 另一实施例中，检测器单元115包含用于在检测来自LED108的光之后处理检测元件109 的输出的一或多个信号处理元件。例如，所述一或多个信号处理元件包含所属领域中已 知的任何信号处理电路，例如但不限于一或多个放大器113。在另一实施例中，检测元 件109的输出耦合到控制器106。就此而言，控制器106可监测照明单元102的性能。

在另一实施例中，系统100包含通过开关126耦合到晶片夹盘105的信号产生器128。 在另一实施例中，开关126耦合到接地。在另一实施例中，信号产生器128耦合到控制器 106，借此控制器106可引导信号产生器128将所选择信号施加到夹盘105。如本文中进一 步描述，可使用信号产生器128以通过开关126将AC信号施加到夹盘105以校准一或多个 光电压信号。

在一个实施例中，第一电极114的第一区域经选择小于由LED108照明的区域以限制 结光电压的横向扩展对结光电压的测量的影响。例如，如图1B中所示，在圆形几何结构 中，第一电极114的半径R_EL可小于玻璃板120及照明光束101(来自LED108)的半径R_B。 本文中应注意，虽然在图1B中将与照明光束101相关联的半径及与玻璃板120相关联的半 径描绘为在量值上相等，但是此非对本发明的限制且应解释为仅仅是说明性的。

本文中应注意，第一透明电极114的形状不限于如图1A到1B中描绘的圆盘形状。而 是，第一透明电极114的形状应解释为仅仅的说明性的。本文中应注意，第一透明电极 114可采取所属领域中已知的任何合适形状。例如，所述第一透明电极可采取圆盘形状、 方形形状、矩形形状、椭圆形形状、多边形形状等。

现参考图1C，根据本发明的一或多个实施例描绘测量单元104的第二测量元件132。 在一个实施例中，第二测量元件132包含第二透明电极134。在一个实施例中，第二透明 电极134布置于第一透明电极114外围。例如，第二透明电极134可环绕或包围第一透明 电极114。就此而言，与第二透明电极134相关联的区域落于来自LED108的照明区域101 内，但在与第一透明电极114相关联的区域外部。

例如，第二透明电极可相对于第一透明电极114同心布置，如图1C及1D中所示。例 如，第一电极114可具有圆盘形状，而第二电极134具有环绕中心第一电极114的圆环形 状。

例如，如图1D中所示，在圆形几何结构中，第一电极114的半径R_EL可小于玻璃板120 及照明光束101(来自LED108)的半径R_B。此外，内半径R1及外半径R2两者均经选择为 大于第一透明电极114的半径，但小于玻璃板120及照明光束101(来自LED108)的半径 R_B。

本文中应注意，本文中描述的圆盘/圆环描绘是非限制性的且仅仅出于说明性目的而 提供。本文中应认知，第一电极114及第二电极134可采取所属领域中已知的任何形状(例 如，互补形状)，其允许第二电极的区域落于与第一电极114相关联的区域外。

在一个实施例中，第二透明电极134可结合第一透明电极114监测与p-n结103的结光 电压信号相关联的一维条件或特性。例如，在由二极管108发射的光的给定强度下，第 一透明电极114可测量结光电压V₁。此外，第一透明电极114可在校准之后利用夹盘信号 测量结光电压V₁，如本文中描述。此外，在相同光强度下，第二透明电极134可测量结 光电压V₁₁。此外，第二透明电极134也可在校准之后利用夹盘信号测量结光电压V₁₁。就 此而言，可通过比较V₁与V₁₁(例如，计算V₁与V₁₁之间的比率，计算V₁与V₁₁之间的差等) 而监测给定结光电压的一维性质。本文中应进一步注意，可在各种强度、波长及调制频 率下重复此程序。

在另一实施例中，测量单元104的第二测量元件132包含经配置以在经测量信号传输 到控制器106之前对其进行处理的一或多个信号处理元件。例如，第二测量元件132(类 似于第一测量单元112)可包含但不限于用于放大来自电极134的信号的前置放大器136。 在另一实施例中，第二测量元件132包含解调器及/或检测器138。此外，在放大、解调及 /或检测之后，由控制器106的接口接收来自电极134的信号。

图1E说明描绘依据相对于呈圆形几何结构的第一电极114的中心的半径(以cm为单 位)测量的JPV信号(以V为单位)的图表140。如先前描述，可使用由半径R_EL界定的第一电 极114以及由R₁及R₂限定的第二电极以监测依据R而变化的JPV信号的一维性质。如图1E 的JPV曲线的区域142中所示，对于半径值小于近似1cm的R，电压相对恒定。本文中应 进一步认知，在图1E的实例中JPV信号与第一电极114及第二电极134的比较将产生V₁与 V₁₁的近1:1的比率，因为JPV信号下降144在第二电极134的外半径R₂外可测量地发生。在 于第二电极134的外半径R₂内发生JPV下降的情况下，V₁与V₁₁的比率将指示此下降。本文 中应注意，上文关于第一透明电极的大小及其它参数的描述是非限制性的且应解释为仅 仅是说明性的。

现参考图1F，根据本发明的一或多个实施例描绘电连接p-n结103的p层及n层的导电 垫148。在一个实施例中，导电垫146包含用于电连接p-n结103的p层及n层的软金属或导 电弹性聚合物垫。本文中应注意，导电垫146可用于减小p层与n层之间的电阻，借此减 小在脉冲照明具有高分流电阻的p-n结之后表面电势的恢复时间。

在另一实施例中，系统100包含电极150(例如，金属或导电弹性聚合物电极)，所述 电极150机械耦合到垂直台148且经配置以提供第一透明电极114附近的顶部p-n结层的接 地。本文中应注意，此接地配置可协助增大系统100的处理量。

图1G说明描绘根据本发明的一个实施例的脉冲式照明131及JPV信号130的图表129。 如图1G中所示，入射于p-n结103上的脉冲照明信号的光的脉冲用于激发p-n结103中的 JPV信号130。此外，由曲线133描绘按对数尺度的JPV信号，其中在低JPV值下的相关联 衰减斜率可用于计算分流电阻。

在一个实施例中，系统100可依据来自LED108的光的强度测量p-n结103的稳态及一 维条件JPV信号。在另一实施例中，系统100可测量非稳态条件下的JPV信号。此外，基 于p-n结103的稳态JPV信号测量、非稳态JPV信号及/或经获取电容值(例如，经独立测量 或计算)，控制器106可确定与p-n结103相关联的一或多个电特性。经由上述测量确定的 电特性可包含但不限于用p-n结的经测量第一光电压、经测量额外光电压或经确定光电流 密度中的至少一者确定的p-n结的光电流密度、正向电压、p-n结的饱和电流密度或p-n结 的理想因子。

在一个实施例中，通过在“开”周期期间利用足够低以实现JPV信号的完全饱和的 光调制频率而实现所PV的稳态条件。在另一实施例中，通过利用脉冲式光而实现JPV的 稳态条件。例如，可利用图1G的脉冲式光信号131以产生稳态JPV信号，例如信号130。 本文中应注意，脉冲式照明可在p-n结103中存在高分流电阻及/或低泄漏且JPV具有相对 长的衰减时间时尤其有用，如图1G的曲线130中所示。此条件集合可阻止p-n结103的JPV 信号在经调制光信号的“关”周期期间恢复。本文中应注意，可通过测量以下两者之间 的JPV电平的差获取精确电压测量：(i)低强度阶段(例如，全暗)与(b)高强度阶段(例如， 全亮)。本文中应进一步注意，在一维及稳态条件下，可通过以下方程式确定结光电压V：

J_L＝I₀·[exp(q·V/nkT)-1]+V/R_SH(1)

其中J_L是光电流密度，q是电子的电荷，k是波兹曼(Boltzman)常数，T是温度，R_SH是p-n结的分流电阻，n是p-n结的理想因子且I₀是p-n结的饱和电流密度。

此外，在低照明强度下，对于其中V<kT/q的情况，根据以下方程式简化上述关系式：

$J_L\approx (\frac{I_0·q}{n·k·T}+1/R_{SH})V=G_{pn}V---\left(2\right)$

其中通过以下方程式给出p-n结的导电率G_PN：

$G_{pn}=\frac{I_0·q}{n·k·T}+1/R_{SH}---\left(3\right)$

本文中应认知，测量p-n结的导电率尤其可用于确定具有高位错浓度的结构(例如但 不限于氮化镓(GaN)LED或多晶结构)中的分流电阻。

在稳态及一维条件下，当利用低频调制照明或脉冲照明且V>>kT/q时，可通过以下 方程式确定结光电压：

$V=\frac{kTn}{q}\ln \left(\frac{J_L}{I_0}\right)---\left(4\right)$

已表明p-n结的横向电流的局部激发将导致给定照明区域内JPV的扩展及JPV的变 更。此关系见于V.法菲尔(V.Faifer)等人，1994年爱丁堡第24次欧洲固态元件会议会议录 (Proceedingsof24^thESSDERC1994)，第601页(1994年)；及V.N.法菲尔(V.N.Faifer)等人， 应用物理快报(Appl.Phys.Let.)，89,151123(2006年)，其全文各自以引用的方式并入本文 中。考虑到二极管电路，可将在光学激发下的稳态JPV分布v(x,y)描述为：

$\frac{{\partial }^{2}v}{\partial x^2}+\frac{{\partial }^{2}c}{\partial y^2}=R_S{J}_0\left(\exp \right(\frac{qv}{nkT})-1)-R_S{J}_L---\left(5\right)$

其中v(x,y)表示依据x,y位置而变化的结光电压，J_L(x,y)表示依据x,y位置而变的光电 流密度，且R_S是p-n结构的上层的薄层电阻。例如，利用上述方程式(1)，依据如从照明 光束104的中心测量的“r”而变化的对应结光电压曲线对应于图1E中的曲线144，其中 例如R_B＝3cm，R_S＝30Ohm/sq且J_L＝30mA/cm²。

在图1E中描绘的实例中，其中v(R)＝V(对于半径R<1cm)，JPV对应于一维条件下对 于第一电极114及外围第二电极134两者的上述方程式(4)。

此外，在其中R_EL及R₂两者均小于1cm的实例中(如图1E中的实例中)，可使用以下关 系式计算由第一电极114捕捉的光电压信号V₁及由电极134捕捉的光电压信号V₂：

$V_1=C_1{\int }_0^{R_{EL}}2\pi rv\left(r\right)dr=CV---\left(6\right)$

$V_2=C_2{\int }_{R_1}^{R_2}2\pi rv\left(r\right)dr=C_{22}V---\left(7\right)$

其中C、C₁、C₂、C₂₂是常数，其可取决于电极114、134与p-n结103之间的电介质间 隙(例如，气隙)、前置放大器116及136的放大增益及其它参数。在一个实施例中，可凭 借通过电开关126将AC信号V₀从经校准信号产生器128施加于夹盘125而确定常数C及 C₂₂。在另一实施例中，电开关126可电耦合到边沿接触垫146，从而允许AC信号直接施 加到半导体衬底103的n层。此外，可通过测量通过电极114、放大器116及/或解调器118 检测的电压、输出信号V_OUT1及公式C＝V_OUT1/V₀而确定常数C。此外，可通过测量通过电 极134、放大器136及/或解调器138检测的电压、输出信号V_OUT2及公式C₂₂＝V_OUT2/V₀而确 定常数C₂₂。

在另一实施例中，可在稳态及一维条件下使用在两个不同强度Φ₁及Φ₂以及光电流密 度J_L1及J_L2下获得的来自电极114的光电压信号V₁及V₂而确定饱和电流密度I₀及理想因子 n。例如，以下关系式使饱和电流密度及理想因子与光电压信号、强度及光电流密度相 关：

$I_0=J_{L1}\exp (-q\frac{V_1}{nkCT})---\left(8\right)$

$n=q\frac{V_1-V_2}{CkT\ln \left(\frac{J_{L1}}{J_{L2}}\right)}=q\frac{V_1-V_2}{CkT\ln \left(\frac{{\Phi }_1}{{\Phi }_2}\right)}---\left(9\right)$

本文中应注意，在确定光电流密度时，可选择光104的波长使得其在最大收集效率 的范围中，其中J_L＝QE*q(1-R)Φ，其中R表示反射率且QE表示量子效率。如此，可使用 具连接到具类似反射率的p结及n结的电极的校准p-n结且在波长范围中的最大收集效率 下测量J_L1，其中J_L1＝QE*q(1-R)Φ₁。

在另一实施例中，通过在导致经测量JPV信号的非稳态条件的光调制频率下测量结 光电压而确定光电流密度。就此而言，控制器106可致使信号产生器110将光调制频率增 大到实现JPV信号的非稳态条件必需的电平。本文中应注意，高频光电压信号V_hf可与照 明强度成比例且与光的光调制频率成反比。如此，p-n结的电容C_pn可通过以下方程式而 与高频光电压相关：

$V_{hf}=\frac{J_L}{j2{\mathrm{\pi fC}}_{pn}}---\left(10\right)$

如此，光电流密度可重写为：

$J_L=2{\mathrm{\pi fC}}_{pn}{V}_{hf}---\left(11\right)$

本文中应注意，可测量或计算p-n结的电容C_pn。在其中作用层i安置于所述结构的p 层与n层之间的p-i-n结构(例如，GaNLED结构)的情况下，可通过以下方程式计算所述结 构的电容：

$C_{pn}=\frac{{ϵ}_S{ϵ}_0}{d}---\left(12\right)$

其中d是i作用层的厚度，ε_S是所述作用层的电介质常数且ε₀是自由空间的电容率。

在另一实施例中，可使用光电流密度J_L的测量及以下关系式确定p-n结103C_pn的电容 C_pn：

$C_{pn}=\frac{J_L}{j2{\mathrm{\pi fV}}_{hf}}---\left(13\right)$

例如，可使用系统100的光电流密度探针(未展示)测量(但不需要测量)光电流密度J_L。 在一个实施例中，系统100的光电流密度探针可包含到照明区域101内的p-n结103的顶层 的一或多个接触件。此外，p-n结103的底层可连接到所述光电流密度探针的电流计(未展 示)。在另一实施例中，所述光电流密度探针可包含提供到照明区域内的p-n结的顶面的 电接触件的透明电极。

此外，可由系统100经由电容探针(未展示)直接测量C_pn的值。此外，利用先前描述 的方程式，控制器106可使用以下关系式确定饱和电流密度：

$I_0=2{\mathrm{\pi fC}}_{pn}{V}_{hf1}\exp (-q\frac{V_1}{nCkT})---\left(14\right)$

在另一实施例中，利用JPV信号的导数确定光电流密度。例如，可分析瞬时响应的 前沿处的JPV信号的导数。例如，可通过分析瞬时响应的前沿处的JPV信号的导数而确定 光电流密度，例如由光脉冲131激发的JPV响应130中所示。就此而言，以下关系式使光 电流密度与在第一强度下测量的JPV信号(V₁)的导数相关：

$J_L=C_{pn}\frac{{\mathrm{dV}}_1}{dt}---\left(15\right)$

在另一实施例中，控制器106可利用用于确定光电流密度的先前描述的方法中的任 一者产生一或多个I-V曲线。在一个实施例中，可通过在不同强度及调制频率下测量JPV 信号而描绘出一或多个I-V曲线。在另一实施例中，可通过分析对来自LED108的斜坡或 三角形脉冲光脉冲的瞬时JPV响应而描绘出一或多个I-V曲线。本文中应注意，在获取给 定光电流密度值之后，可容易地利用适用区域将所述经获取光电流密度值转换成光电流 值。

本文中应注意，系统100不限于如先前描述那样使用上文提供的方程式及关系式计 算p-n结103的各种特性。本发明中提供的各种方程式及关系式是仅仅出于说明性目的而 提供且不应解释为对本发明的限制。本文中应认知，各种关系式可被控制器106用来使 本发明的范围及精神内的先前描述的量中的两者或两者以上相关。

图2说明描绘根据本发明的一或多个实施例的用于非接触式测量p-n结的一或多个特 性的方法200的流程图。本文中应认知，可由系统100的组件及实施例中的一或多者实施 方法200的步骤中的一或多者。然而，应注意，方法200不限于系统100的结构限制。

步骤202用第一强度的光照明p-n结的表面的区域。在一个实施例中，第一强度Φ₁的 光具有足以建立p-n结103的结光电压信号的稳态条件的一或多个时变特性。例如，第一 强度Φ₁的光具有足够低以建立p-n结103的结光电压的稳态条件的调制频率f。就此而言， 在激发光信号的“开”阶段期间，可由控制器106(或用户)调整所述调制频率直到达到JPV 信号的饱和为止。通过另一实例，第一强度Φ₁的光可包含具有足以建立p-n结的结光电 压的稳态条件的强度分布的脉冲式光。在另一实施例中，照明区域101可等于玻璃板120 的区域。在另一实施例中，由LED108发射的第一强度Φ₁的光透射穿过玻璃板120及第一 透明电极114且接着照射在p-n结103的前表面上。在一个实施例中，可选择第一强度的光 的光谱范围使得其对应p-n结中高于所选择阈值的量子效率(例如，处于或接近最大量子 效率)。在一个实施例中，可选择第一强度的光的光谱范围使得其与显示给定p-n结103 的最大光谱效率的光谱范围重叠。

步骤204用第一透明电极114测量来自照明区域内的p-n结103的第一结光电压V₁。在 另一实施例中，用测量单元104的第一测量元件112的第一透明电极114及前置放大器116 及解调器/检测器118测量第一结光电压V₁。

步骤206用额外强度(例如，第二光强度)的光照明p-n结的表面区域。在一个实施例 中，额外强度Φ₂的光具有足以建立p-n结103的结光电压信号的稳态条件的一或多个时变 特性。例如，额外强度Φ₂的光可具有足够低以建立p-n结103的结光电压的稳态条件的调 制频率f。再者，在激发光信号的“开”阶段期间，可由控制器106(或用户)调整所述调 制频率直到达到JPV信号的饱和为止。通过另一实例，额外强度Φ₂的光可包含具有足以 建立p-n结103的结光电压的稳态条件的强度分布的脉冲式光。在另一实施例中，照明区 域101可等于玻璃板120的区域。在另一实施例中，由LED108发射的额外强度Φ₂的光透 射穿过玻璃板120及第一透明电极114且接着照射在p-n结103的前表面上。

步骤208用第一透明电极114测量来自照明区域101内的p-n结103的额外光电压V₂(例 如，第二光电压)。在另一实施例中，用测量单元104的第一测量元件112的第一透明电极 114及前置放大器116及解调器/检测器118测量额外结光电压V₂。本文中应注意，可替代 地利用呈凯尔文探针配置的振动电极测量稳态光电压V₁及V₂。本文中进一步额外详细地 描述此配置。

步骤210确定p-n结103的光电流密度。本文中应注意，可以贯穿本发明描述的任何方 式确定步骤210的光电流密度。

在一个实施例中，通过比较以下两者而确定第一强度Φ₁下p-n结103的光电流密度： 用透明电极114获取的初始光电流密度与经由一或多个接触式电极从用大体上类似于第 一强度的光的光照明的校准p-n结获取的校准光电流密度，如先前描述。

在另一实施例中，通过首先在足以实现p-n结的结光电压的非稳态条件的调制频率f_hf下用第一强度的光照明p-n结的表面的区域而确定第一强度Φ₁下p-n结103的光电流密度。 就此而言，控制器106可引导信号产生器110将所述调制频率增大到频率f_hf，其中对应JPV 信号与f_hf成反比。接着，第一透明电极114可用第一透明电极114测量来自照明区域101 内的p-n结103的高频结光电压V_hf。此外，控制器106可获取p-n结103的电容C_pn。例如， 系统100可包含适于测量p-n结103的电容的一或多个电路元件。通过另一实例，可计算或 估计p-n结103的电容(例如，参见前文方程式12)。此外，可使用p-n结103的高频结电压 V_hf、p-n结103的电容C_pn及调制频率f_hf确定在足以实现非稳态条件的调制频率下p-n结103 的光电流密度，如前文所示。

在另一实施例中，通过分析第一结电压V₁瞬时响应的前沿处的第一结光电压V₁的导 数而确定p-n结103的光电流密度，如先前描述。

步骤212用p-n结103的经测量第一光电压V₁、经测量额外光电压V₂或光电流密度确定 正向电压、饱和电流密度I₀或理想因子n。例如，控制器106可使用p-n结103的经测量第 一光电压V₁、经测量额外光电压V₂或光电流密度连同先前描述的各种关系式(或其等效关 系式)确定正向电压、饱和电流密度I₀或理想因子n。

步骤214产生一或多个I-V曲线。在一个实施例中，可通过在多个照明强度及/或调制 频率下获取结光电压及对应光电流密度而产生一或多个I-V曲线。就此而言，可重复步 骤202到212以建立与给定p-n结103相关联的一或多个I-V曲线。例如，控制器106可利用 先前描述的方程式(11)(或类似关系式)以通过在多个照明强度及/或频率下获取多个光电 压及对应光电流而构造一或多个I-V曲线。

图3A说明描绘根据本发明的一或多个实施例的用于非接触式测量p-n结的一或多个 特性的方法300的流程图。本文中应注意，除非另有说明，否则先前描述的各种组件、 步骤及实施例应解释为扩展到用于方法300。

步骤302用第一强度Φ₁的光照明p-n结的表面的照明区域。在一个实施例中，第一强 度Φ₁的光具有足以建立p-n结103的结光电压信号的稳态条件的一或多个时变特性，如先 前描述。步骤304用第一透明电极114测量来自照明区域内的p-n结103的第一结光电压V₁， 如先前描述。步骤306用额外强度Φ₂的光照明p-n结103的表面的照明区域，如先前描述。 步骤308用第一透明电极114测量来自照明区域101内的p-n结103的额外光电压V₂(例如， 第二光电压)，如先前描述。

步骤310监测第一结光电压V₁及/或额外结电压V₂的一维特性。在一个实施例中，用 第二透明电极134监测第一结光电压V₁及/或额外结电压V₂的一维特性，第二透明电极134 定位于照明区域101内且具有在第一透明电极114的第一区域外部的第二区域。就此而 言，第二透明电极134可结合第一透明电极114监测与p-n结103的结光电压信号相关联的 一维条件或特性。就此而言，在由二极管108发射的光的给定强度Φ_N下，第一透明电极 114可测量结光电压V_N。此外，在相同光强度Φ_N下，第二透明电极134可测量结光电压V_NN。 就此而言，可通过比较V_N与V_NN(例如，计算V_N与V_NN之间的比率，计算V_N与V_NN之间的差 等)而监测给定结光电压的一维性质。就此而言，可将V_NN信号视作由第N强度Φ_N的照明 激发的第一JPV信号V_N的横向延伸部分。

在一个实施例中，通过用第二透明电极134测量来自用第一强度Φ₁的光照明的照明 区域101内的p-n结103的部分的结光电压V₁₁而监测第一结光电压V₁的一维特性或条件。 接着，可比较(在强度Φ₁下用第二电极134测量的)结光电压V₁₁与(在强度Φ₁下用第一电极 114测量的)第一结光电压V₁。就此而言，可通过比较V₁与V₁₁而监测第一结光电压的一维 性质。例如，控制器106可计算V₁与V₁₁之间的比率，计算V₁与V₁₁之间的差等。就此而言， 可将V₁₁信号视作由第一强度Φ₁的照明激发的第一JPV信号V₁的横向延伸部分。

在另一实施例中，通过用第二透明电极134测量来自用额外强度Φ₂的光照明的照明 区域101内的p-n结103的部分的结光电压V₂₂而监测额外结光电压V₂的一维特性或条件。 接着，可比较(在强度Φ₂下用第二电极134测量的)结光电压V₂₂与(在强度Φ₂下用第一电极 114测量的)额外结光电压V₂。就此而言，可通过比较V₂与V₂₂而监测额外结光电压的一维 性质。例如，控制器106可计算V₂与V₂₂之间的比率，计算V₂与V₂₂之间的差等。就此而言， 可将V₂₂信号视作由第一强度Φ₂的照明激发的第一JPV信号V₂的横向延伸部分。

本文中应进一步注意，可在各种强度、波长及调制频率下重复此程序。应进一步注 意，参考步骤310描述的子步骤不限于方法300的额外步骤且可独立于方法300的额外步 骤实施，从而允许系统100在任何背景下监测JPV信号的一维性质。

步骤312确定p-n结的光电流密度。本文中应注意，可以贯穿本发明描述的任何方式 完成确定p-n结103的光电流密度的步骤312。

例如，如图3B中所示，确定p-n结103的光电流密度的步骤312包含子步骤312a到 312d。子步骤312a在足以实现p-n结103的结光电压信号的非稳态条件的调制频率f_hf下用 第一强度Φ₁的光照明p-n结103的表面的照明区域101。例如，如先前描述，照明单元102 在足以实现p-n结103的结光电压的非稳态条件的调制频率f_hf下用第一强度Φ₁的光照明 p-n结103的表面区域。就此而言，控制器106可引导信号产生器110将所述调制频率增大 到频率f_hf，其中对应JPV信号与f_hf成反比。

子步骤312b用第一透明电极114测量来自照明区域101内的p-n结103的高频结光电压 V_hf。例如，第一透明电极114及对应信号处理电路(例如，前置放大器116及/或解调器/检 测器118)可测量来自照明区域101内的p-n结103的高频结光电压V_hf。

子步骤312c获取p-n结的电容。在一个实施例中，控制器106可获取p-n结103的电容 C_pn。例如，系统100可包含适于测量p-n结103的电容的一或多个电路元件。例如，这些 电路元件可包含用来测量与p-n结的p-n界面相关联的电容的独立电容探针。通过另一实 例，可由控制器106计算或估计p-n结103的电容(例如，参见前文方程式12)。通过另一实 例，控制器106可从用户或从附加测量工具或系统接收p-n结的电容值。

子步骤312d用p-n结103的高频结电压V_hf、p-n结103的电容C_pn及调制频率f_hf确定p-n 结103的光电流密度。例如，控制器106可基于p-n结103的高频结电压V_hf、p-n结103的电 容C_pn及调制频率f_hf的经测量或经获取值以及先前描述的方程式(11)计算一或多个光电流 密度值。

在另一实施例中，可通过比较以下两者而确定第一强度Φ₁下p-n结103的光电流密 度：用透明电极114获取的初始光电流密度与经由一或多个接触式电极从用大体上类似 于第一强度的光的光照明的校准p-n结获取的校准光电流密度，如先前描述。

在另一实施例中，可通过分析第一结电压V₁瞬时响应的前沿处的第一结光电压V₁的 导数而确定p-n结103的光电流密度，如先前描述。

步骤314用p-n结103的经测量第一光电压V₁、经测量额外光电压V₂或光电流密度确定 正向电压、饱和电流密度I₀或理想因子n。例如，控制器106可使用p-n结103的经测量第 一光电压V₁、经测量额外光电压V₂或光电流密度连同先前描述的各种关系式(或其等效关 系式)确定正向电压、饱和电流密度I₀或理想因子n。

步骤316产生一或多个I-V曲线。在一个实施例中，通过在多个照明强度及/或调制频 率下获取结光电压及对应光电流产生一或多个I-V曲线。就此而言，可重复步骤302到314 以建立与给定p-n结103相关联的一或多个I-V曲线。例如，控制器106可利用先前描述的 方程式(11)(或类似关系式)以通过在多个照明强度Φ₁到Φ_N及/或调制频率f₁到f_N下获取多 个光电压V₁到V_N及对应光电流密度J₁到J_N而构造一或多个I-V曲线。

现参考图4，根据本发明的一或多个实施例描绘系统100的凯尔文探针单元402。本 文中应注意，除非另有说明，否则先前描述的各个组件、步骤及实施例应解释为扩展到 用于图4中的系统100的实施例。本文中应注意，可利用图4的凯尔文探针配置以基于通 过在暗及稳态照明条件下测量接触式电势差(CPD)进行的差分表面电势测量而测量稳态 结光电压。就此而言，可计算p-n结103的正向电压。本文中应注意，出于此描述的目的， 正向电压等效于或近似等效于第一结电压V₁或额外结电压V₂，其可写为：

其中及分别表示在第一光强度Φ₁及额外光强度Φ₂下获得的CPD且 CPD_dark表示在暗或近暗照明条件下获得的CPD。

在一个实施例中，探针单元402包含振动元件404(例如，振动器)及耦合元件406(例 如，杆)。在一个实施例中，透明元件120(例如，一或多个玻璃板)机械地耦合到耦合元 件406，从而允许振动元件404机械地驱动透明元件120的运动且因此第一电极114及/或第 二电极134的运动。在另一实施例中，振动元件404通信地耦合到控制器106。就此而言， 控制器106可引导振动元件404在所选择振幅及/或频率下驱动玻璃元件120及电极114及/ 或134的机械运动。本文中应注意，虽然图4描绘只具第一电极114而没有外部第二电极 134的系统100，但此不应解释为对本文中描述的凯尔文探针技术的实施的限制。本文中 应注意，凯尔文探针单元402可经配置以结合单一电极114或结合第一透明电极114及第 二透明外电极134操作。

通常在透明电极的背景下利用的凯尔文探针技术大体上描述于1993年6月1日颁布 的冯克(Verkuil)的第5,216,362号美国专利中，所述专利的全文在上文以引用的方式并入。

在一个实施例中，振动电极114可通过确定在暗照明及第一强度Φ₁的照明两者下p-n 结103的CPD而测量来自照明区域101内的p-n结103的部分的第一结光电压V₁。在一个实 施例中，控制器106可确定在暗条件(即，零或近零照明)下测量的第一表面电势与在来自 LED108的第一强度Φ₁的光下测量的额外表面电势之间的差。例如，系统100可建立暗照 明条件(例如，零或近零照明)。接着，振动电极114(及测量单元102的其余部分)可在暗 照明条件下测量p-n结103的表面电势。此外，照明单元102可用第一强度Φ₁的光照明p-n 结103。继而，振动电极114(及测量单元102的其余部分)可用照射于p-n结103上的第一强 度Φ₁的光测量p-n结103的表面电势。此外，控制器106(例如，控制器106的一或多个处 理器)可计算第一光强度下的表面电势与暗照明条件下的表面电势之间的差以求得第一 光电压V₁(等效于正向电压)。

在另一实施例中，振动电极114可通过确定暗照明及额外强度Φ₂的照明下p-n结103 的CPD而测量来自照明区域101内的p-n结103的部分的额外光电压V₂。在一个实施例中， 控制器106可计算暗条件(即，零或近零照明)下测量的第一表面电势与在来自LED108的 额外强度Φ₂的光下测量的额外表面电势之间的差。例如，系统100可建立暗照明条件。 接着，振动电极114(及测量单元102的其余部分)可在暗照明条件下测量p-n结103的表面 电势(或重新使用上文描述的暗照明条件的结果)。此外，照明单元102可用额外强度Φ₂的光照明p-n结。继而，振动电极114(及测量单元102的其余部分)可用照射于p-n结103上 的额外强度Φ₂的光测量p-n结103的表面电势。此外，控制器106(例如，控制器106的一 或多个处理器)可计算额外光强度下的表面电势与暗照明条件下的表面电势之间的差以 求得第一光电压V₂(等效于正向电压)。

在另一实施例中，可经由第二振动透明电极134监测第一结光电压V₁或额外光电压 V₂的一维条件或特性。就此而言，可经由上文描述的表面电势差分技术确定结光电压V₁₁及/或V₂₂。继而，可比较用第二振动透明电极134获取的结光电压V₁₁及/或V₂₂与用第一振 动透明电极114获取的JPV信号V₁及V₂(例如，计算比率，计算差等)，以分别监测JPV信 号的一维性质。本文中应注意，V₁/V₁₁与/或V₂/V₂₂之间的比较类似于先前描述的比较。

可依贯穿本发明描述的任何方式测量光电流密度J_L。例如，可利用校准p-n结技术或 非稳态JPV测量技术测量光电流密度J_L，贯穿本发明描述所述技术中的每一者。

在另一实施例中，可利用用振动电极114测量的JPV信号的导数确定光电流密度J_L。 例如，可分析瞬时响应的前沿处的JPV信号的导数。就此而言，可分析通过凯尔文探针 技术测量且通过光脉冲激发的JPV响应。例如，可使用在第一强度下测量的JPV信号(V₁) 的导数以按与前文参考方程式(15)描述的方式大致相同的方式计算光电流密度J_L。

图5说明描绘根据本发明的一或多个实施例的用于非接触式测量p-n结的一或多个特 性的方法500的流程图。本文中应注意，除非另有说明，否则先前描述的各种组件、步 骤及实施例应解释为扩展到用于方法500。本文中应注意，可利用图4的凯尔文探针配置 实行方法500，但方法500不限于图4中描绘的结构限制。

步骤502用第一强度Φ₁的光照明p-n结的表面的照明区域，所述第一强度Φ₁的光具有 足以建立p-n结103的结光电压信号的稳态条件的一或多个时变特性，如先前描述。

步骤504用第一振动透明电极114测量来自照明区域101内的p-n结103的一部分的第 一结光电压V₁。在一个实施例中，用第一振动透明电极114通过确定以下两者之间的差 而测量第一结光电压V₁：在暗照明条件(例如，零照明或近零照明)期间测量的第一表面 电势与在第一强度Φ₁的光照明期间于稳态条件中测量的额外表面。在一个实施例中，振 动电极114可通过确定在暗照明及第一强度Φ₁的照明两者下p-n结103的CPD而测量来自 照明区域101内的p-n结103的部分的第一结光电压V₁。例如，控制器106可确定暗条件下 测量的第一表面电势与第一强度Φ₁下测量的额外表面电势之间的差。就此而言，控制器 106(例如，控制器106的一或多个处理器)可计算第一光强度Φ₁下的表面电势与暗照明条 件下的表面电势之间的差以求得第一光电压V₁。

步骤506用额外强度Φ₂的光照明p-n结的表面的照明区域，所述额外强度Φ₂的光具有 足以建立p-n结103的结光电压信号的稳态条件的一或多个时变特性，如先前描述。

步骤508用第一振动透明电极114测量来自照明区域101内的p-n结103的一部分的额 外结光电压V₂。在一个实施例中，用第一振动透明电极114通过确定以下两者之间的差 而测量额外结光电压V₁：在暗照明条件(例如，零照明或近零照明)期间测量的第一表面 电势与在额外强度Φ₂的光照明期间于稳态条件中测量的额外表面电势。在一个实施例 中，振动电极114可通过确定在暗照明及额外强度Φ₂的照明两者下p-n结103的CPD而测量 来自照明区域101内的p-n结103的部分的额外结光电压V₂。例如，控制器106可确定暗条 件下测量的第一表面电势与额外强度Φ₂下测量的额外表面电势之间的差。就此而言，控 制器106可计算额外光强度Φ₂下的表面电势与暗照明条件下的表面电势之间的差以求得 额外光电压V₂。

步骤510确定第一强度(或额外强度)下p-n结103的光电流密度。本文中应注意，可按 贯穿本发明描述的任何方式完成确定p-n结103的光电流密度的步骤510。例如，方法500 可在足以实现p-n结103的结光电压信号的非稳态条件的调制频率f_hf下用第一强度Φ₁的光 照明p-n结103的表面的照明区域101。就此而言，控制器106可引导信号产生器110将所述 调制频率增大到频率f_hf，其中对应JPV信号与f_hf成反比。在另一实施例中，方法500包含 使用第一振动透明电极114测量来自照明区域101内的p-n结的部分的高频结光电压V_hf。 例如，第一振动透明电极114及对应信号处理电路(例如，前置放大器116及/或解调器/检 测器118)可测量来自照明区域101内的p-n结103的高频结光电压V_hf。在另一实施例中，方 法500包含获取p-n结103的电容。例如，可按贯穿本发明描述的任何方式(例如但不限于 独立测量、计算或用户输入)获取p-n结103的电容C_pn。

在另一实施例中，方法500包含通过用第一振动电极114获得的高频结电压V_hf、p-n 结103的电容C_pn及调制频率f_hf确定p-n结103的光电流密度。例如，控制器106可基于p-n 结103的高频结电压V_hf、p-n结103的电容C_pn及调制频率f_hf的经测量或经获取值以及先前 描述的方程式(11)计算一或多个光电流密度值。

在另一实施例中，可通过比较以下两者而确定第一强度Φ₁下p-n结103的光电流密 度：用透明电极114获取的初始光电流密度与经由一或多个接触式电极从用大体上类似 于第一强度的光的光照明的校准p-n结获取的校准光电流密度，如先前描述。

步骤512用p-n结103的经测量第一光电压V₁、经测量额外光电压V₂或光电流密度确定 正向电压、饱和电流密度I₀或理想因子n。例如，控制器106可使用p-n结103的经测量第 一光电压V₁、经测量额外光电压V₂或光电流密度连同先前描述的各种关系式(或其等效关 系式)确定正向电压、饱和电流密度I₀或理想因子n。

步骤514产生一或多个I-V曲线。在一个实施例中，可通过在多个照明强度及/或调制 频率下获取结光电压及对应光电流密度产生一或多个I-V曲线。就此而言，可重复步骤 502到512以建立与给定p-n结103相关联的一或多个I-V曲线。例如，控制器106可利用先 前描述的方程式(11)(或类似关系式)以通过在多个照明强度Φ₁到Φ_N及/或调制频率f₁到f_N 下获取多个光电压V₁到V_N及对应光电流密度J₁到J_N而构造一或多个I-V曲线。

在另一实施例中，方法500可用定位于照明区域101内的第二振动透明电极134监测 第一结光电压V₁及/或额外结电压V₂的一维特性，如先前描述。就此而言，第二振动透明 电极134可结合第一振动透明电极114监测与p-n结103的结光电压信号相关联的一维条件 或特性。就此而言，在给定强度Φ_N下，第一振动透明电极114可测量结光电压V_N。此外， 在相同光强度Φ_N下，第二振动透明电极134可测量结光电压V_NN。就此而言，可通过比较 V_N与V_NN(例如，计算V_N与V_NN之间的比率，计算V_N与V_NN之间的差等)而监测给定结光电 压的一维性质。如前文所述，V_NN信号被视为由第N强度Φ_N的照明激发的第一JPV信号V_N的横向延伸部分。

应进一步认知，控制器106可执行贯穿本发明描述的各种方法中的任一者的一或多 个步骤。就此而言，所揭示方法可实施为程序指令集。此外，应了解，所揭示方法中的 步骤的特定次序或层次是示范性方法的实例。基于设计偏好，应了解，可重新布置所述 方法中的步骤的特定次序或层次同时保持在本发明的范围及精神内。所附方法权利要求 书按样本次序呈现各个步骤的要素，且不一定意指限于所呈现的特定次序或层次。

在一个实施例中，控制器106包含一或多个处理器及存储器(例如，非暂时性存储器)。 控制器106的一或多个处理器可包含所属领域中已知的任一或多个处理元件。大体上， 术语“处理器”可经广义定义以涵盖具有一或多个处理元件的任何装置，其执行来自非 暂时性存储器媒体的程序指令。一或多个处理器可包含经配置以执行软件算法及/或程序 指令的任何微处理器型装置。在一个实施例中，一或多个处理器可包含台式计算机、主 计算机系统、工作站、图像计算机、并行处理器或经配置以执行经配置以操作系统100 的程序指令集的其它计算机系统(例如，网络计算机)中的任一者，如贯穿本发明描述。 应认知，可由单一控制器或替代地由多个处理器实行贯穿本发明描述的步骤。存储器可 包含所属领域中已知适于存储可由控制器106的相关联的一或多个处理器执行的程序指 令的任何存储媒体。例如，存储器可包含但不限于只读存储器、随机存取存储器、磁性 或光学存储器装置(例如，磁盘)、磁带、固态磁盘驱动器等。在另一实施例中，本文中 应注意，存储器经配置以存储来自系统100的各个子系统中的一或多者的一或多个结果。 在另一实施例中，存储器可相对于处理器及控制器106的物理位置而远程定位。例如， 控制器106的一或多个处理器可存取可通过网络(例如，因特网、内联网等)存取的远程存 储器(例如，服务器)。

本文中描述的所有方法可包含将方法实施例的一或多个步骤的结果存储于存储媒 体中。所述结果可包括本文中描述的结果中的任一者且可按所属领域中已知的任何方式 存储。所述存储媒体可包含本文中描述的任何存储媒体或所属领域中已知的任何其它合 适存储媒体。在已存储所述结果之后，所述结果可在所述存储媒体中存取且可供本文中 描述的方法或系统实施例中的任一者使用、经格式化以对用户显示、供另一软件模块、 方法或系统等使用。此外，所述结果可“永久性地”、“半永久性地”、暂时地存储或存 储某一段时间。例如，所述存储媒体可为随机存取存储器(RAM)，且所述结果未必无限 期地存留于所述存储媒体中。

应进一步预期，上文描述的方法的实施例中的每一者可包含本文中描述的任何其它 方法的任何其它步骤。此外，可由本文中描述的系统中的任一者执行上文描述的方法的 实施例中的每一者。

所属领域技术人员将明白存在可通过其实现本文中描述的过程及/或系统及/或其它 技术的各种工具(例如，硬件、软件及/或固件)，且优选工具将随部署过程及/或系统及/ 或其它技术的背景而变化。例如，如果实施者确定速度及精度最为重要，那么所述实施 者可选择以硬件及/或固件为主的工具；替代地，如果灵活性最为重要，那么所述实施者 可选择以软件为主的实施方案；再或者，所述实施者可选择硬件、软件及/或固件的某个 组合。因此，存在可通过其实现本文中描述的过程及/或装置及/或其它技术的若干可能 工具，所述工具中的任一者本质上不优于其它工具，因为将使用的任何工具是取决于将 部署所述工具的背景及所述实施者的考虑因素(例如，速度、灵活性或可预测性)的选择， 所述背景及考虑因素中的任一者可能变化。所属领域技术人员将认知，实施方案的光学 方面通常将采用光学定向的硬件、软件及/或固件。

据信，通过先前描述将了解本发明及其许多伴随优点，且显而易见的，在不违背所 揭示标的物或在不舍弃其所有材料优点的情况下，可对组件的形式、构造及布置作出各 种改变。所描述形式仅仅是解释性的，且所附权利要求书的意图为涵盖及包含此类变化。 此外，应了解本发明由所附权利要求书定义。