СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВЕТОДИОДНОЙ СТРУКТУРЫ
METHOD OF INSPECTING QUALITY OF LED STRUCTURE

Изобретение относится к испытаниям полупроводниковых светоизлучающих диодов (СД), а именно к способу выявления наличия дефектов в их светодиодной структуре. Этот способ может быть использован для контроля качества светодиодной структуры СД, в том числе входящих в состав различных изделий на их основе (лампы, табло, матрицы) на всех этапах производства.
Известен способ для контроля качества приборных кремниевых слоев в композициях типа кремний на диэлектрике, представленный в патенте РФ №2150158 «Способ контроля дефектности пленок кремния на диэлектрических подложках», МПК H01L 21/66, опубл. 22.02.1999. Способ, который также может быть применен для определения качества светодиодной структуры, включает эллипсометрические измерения показателя преломления пленок в условиях нагрева тестируемой структуры от комнатной температуры до 350-400 К. По характеру изменений определяемого показателя преломления судят о качестве пленок. Также перед измерениями структуры в течение 1-5 минут ее обрабатывают ультразвуком с частотой 20-40 кГц в химически неактивной жидкости. Технический результат в заявляемом способе достигается благодаря тому, что обработка структур до эллипсометрических измерений приводит к рассеиванию примесных атмосфер вокруг дефектов в кремниевой пленке, вследствие чего увеличивается амплитуда неоднородности распределения полей других напряжений в пленке, обуславливающая возрастание градиента - показателя преломления по поверхности пленки, который фиксируется при нагреве (охлаждении) структуры от комнатной температуры до температур 350-100 К. Способ позволяет повысить чувствительность эллипсометрического контроля дефектности пленок кремния на диэлектрических подложках и светодиодных структур СД.
В способе применяется метод эллипсометрии, который обладает сравнительно малой информативностью и необходимостью использования физической модели. Такой способ обладает деструктивным характером, так как требует проводить предварительную обработку образцов светодиодной структуры ультразвуком, при этом дальнейшая диагностика осуществляется в условиях высоких температур. На обоих из этих этапах может произойти «порча» образца. Применяемая для эллипсометрических измерений аппаратура стоит относительно дорого и не позволяет неразрушающим образом исследовать корпусированные светодиодные структуры, в том числе входящих в состав изделий на их основе.
1-x
x
2
Известен способ непрерывной катодолюминесценции, применяемый для комплексной диагностики параметров, в том числе качества, различных материалов, в частности светодиодной структуры (Соломонов В.И. «Люминесцентный анализ твердых тел: новые возможности», журнал «Вестник уральского отдела РАН», 2008 г., №2 (24), с.21-27: Чукичев М.В., Сабриа Д.М., Соколов В.И. и др. «Катодолюминесценция твердых растворов ZnMnSe», журнал «Оптика и спектроскопия», 1990 г., том 68, №1, с.200-202). Способ заключается в следующем: тестируемый образец светодиодной структуры подвергают бомбардировке быстрыми (первичными) электронами, в результате чего возникает эффект катодолюминесценции. Для обеспечения непрерывной катодолюминесценции необходимо обеспечить сток инжектированного в образец заряда для снятия самоограничения люминесценции и инжекции электронов в вещество. В качестве такой меры используется эмиссия быстрых вторичных электронов с поверхности образца в вакуум либо сток заряда осуществляют через тонкий металлический слой, нанесенный на облучаемую поверхность образца. Для реализации такого способа, требуется помещать образец светодиодной структуры в вакуум, удалять поверхностный слой вещества толщиной 20 мкм и обеспечивать высокую плотность тока инжектированных электронов 50-100 А/см, воздействие которого разогревает до критической температуры исследуемый образец. Полученное излучение регистрируют специальными спектрометрами, и далее анализ экспериментальных данных позволяет обнаружить наличие дефектов в светодиодной структуре.
Недостатком этого способа является его разрушающий характер и применение дорогостоящего оборудования (в условиях вакуума требуется удалить поверхностный слой вещества). Применяемая для осуществления способа непрерывной катодолюминесценции аппаратура не позволяет неразрушающим образом исследовать корпусированные светодиодные структуры, в том числе входящих в состав изделий на их основе.
е
e
Известен способ импульсной катодолюминесценции (ИКЛ), который может быть использован для спектрально-люминесцентного анализа конденсированных сред на предмет определения их структуры и наличия в них точечных дефектов, в частности для определения качества светодиодных структур (Соломонов В.И. «Люминесцентный анализ твердых тел: новые возможности», журнал «Вестник уральского отдела РАН», 2008 г., №2 (24), с.21-27). Для его реализации требуется облучать тестируемый образец светодиодной структуры импульсами (пучками) электронов высокой энергии Е=100-200 кэВ и наносекундной длительности. Такие электроны проникают в твердое вещество на глубину d=100-150 мкм, что больше толщины поверхностного слоя, обогащенного дефектами, поэтому в этом способе отсутствует необходимость установки образца в вакуумную камеру и удаления его поверхностного слоя. Ограничение длительности инжекции электронов наносекундным интервалом приводит к снятию проблемы разогрева облучаемого объема. Полученную в результате облучения катодолюминесценцию регистрируют специальными спектрометрами. В ближнем послесвечении катодолюминесценции, даже при комнатной температуре образцов, наблюдается тонкая структура полос внутрицентровой и структурно-чувствительной ИКЛ. Центры люминесценции являются точечными дефектами светодиодной структуры. Определение качества светодиодной структуры осуществляется путем анализа полученных спектров катодолюминесценции.
Недостатком ИКЛ является использование дорогого оборудования (например, настольный импульсный катодолюминесцентный спектрограф), который не позволяет неразрушающим образом исследовать корпусированные светодиодные структуры, в том числе входящих в состав изделий на их основе.
Известен способ диагностики полупроводниковых гетероструктур, в том числе светодиодных, под названием «Метод локальной катодолюминесценции» (Заморянской М.З., Конникова С.Г. «Новые возможности рентгеноспектрального микроанализа и локальной катодолюминесценции для диагностики многослойных структур и наноматериалов», журнал «Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Специальный выпуск», 2005 г., том 74, с.62-66). При применении такого способа образец светодиодной структуры подвергают бомбардировке быстрыми электронами, в результате чего возникает эффект катодолюминесценции. Для формирования электронного пучка используют колонну рентгеновского микроанализа. Для получения спектров локальной катодолюминесценции применяют стационарный режим. В этом режиме образец непрерывно облучается электронным пучком. Сканирование спектра осуществляется за счет поворота дифракционной решетки на заданное число шагов, после чего производится считывание сигнала с фотоэлектронного умножителя в режиме счета фотонов. Последующий анализ экспериментальных данных кроме всего прочего позволяет получать информацию об однородности образца и определять пространственное распределение дефектов в исследуемых образцах. Особенности размера энергии бомбардирующих электронов и передачи ее излучающим центрам обусловливают сильную зависимость яркости катодолюминесценции от степени совершенства кристаллической структуры материала. Эта особенность катодолюминесценции и используется для регистрации дефектности светодиодной структуры. Оценить ее качество также можно по длине диффузии электрона.
Недостатком этого способа является использование дорогого, сложного и громоздкого оборудования и невозможность исследования качества корпусированных светодиодных структур, в том числе входящих в состав изделий на их основе.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ инфракрасной (ИК) тепловизионной микроскопии, применяемый для диагностики качества полупроводниковых наногетероструктур, в том числе светодиодных (Базовкин В.М., Гузев А.А. и др. «Тепловизионный микроскоп», журнал «Прикладная физика», 2005 г., №2, с.97-102; Закгейм А.Л., Курышев Г.Л. и др. «Исследование тепловых процессов в мощных InGaN/GaN флип-чип светодиодах с использованием инфракрасной тепловизионной микроскопии», журнал «Физика и техника полупроводников», 2010 г., том 44, выпуск 3, с.390-396). Способ заключается в регистрации распределения тепловых полей тестируемых образцов. Тепловое излучение образцов регистрируется ИК-микроскопом, содержащим InAs-ПЗИ (прибор с зарядовой инжекцией), фотоприемная матрица которого содержит 128×128 элементов (шаг элементов 50 мкм) с областью спектральной чувствительности 2,5-3,1 мкм. Поле зрения ИК- микроскопа составляло 400×400 мкм (~3 мкм на элемент), разрешение - единицы микрометров. Полученное изображение тепловых полей выводится на экран компьютера. Оно представлено в виде отградуированной по цветам спектра теплограммы объекта, цветовая гамма которой соответствует определенным значениям температуры любой точки поверхности образца светодиодной структуры в фиксированный момент времени. При наличии дефекта наблюдается сильный перегрев структуры в его окрестностях, в этом случае будет регистрироваться высокий цветовой контраст в той области структуры, где дефект располагается. Определение температуры найденных областей производится в соответствии с цветовой шкалой температур. Наличие локальных областей высоких температур говорит о существовании дефекта в данной области. Анализ изображения тепловых полей позволяет определить качество структуры.
Рассмотренный метод в сравнении с другими обладает важными преимуществами:
1) вместо усредненной оценки температуры активной области дает высокоточную карту температурных полей светодиодной структуры с пространственным разрешением ~3 мкм и абсолютной погрешностью измерения ~ 2 К;
2) дает детальное представление о развитии тепловых процессов, возникающих в результате саморазогрева в светодиодной структуре, т.е. позволяет определять предельные режимы ее работы и качество;
3) благодаря высокой чувствительности к изменению температуры локальных областей может применяться для выявления дефектных областей.
Однако недостатками способа являются:
1) применение дорогого и сложного оборудования высокого разрешения;
2) возможность определения качества только не корпусированных светодиодных структур.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа контроля качества светодиодной структуры СД, который позволяет достигать технический результат, заключающийся в снижении его стоимости, использовании при его применении менее громоздкого оборудования, возможности исследования светодиодной структуры корпусированных СД, в том числе входящих в состав изделий на их основе.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе контроля качества светодиодной структуры, заключающемся в регистрации излучения светодиодной структуры, обработке излучения для получения характеристик светодиодной структуры, на основе которых судят о качестве светодиодной структуры для каждой светодиодной структуры из партии изделий, регистрируют спектр электролюминесценции светодиодной структуры, проводят построение зарегистрированного спектра в полулогарифмическом масштабе, разделяют коротковолновую область полученного спектра на участки, которые аппроксимируют зависимостью у=a*ехр(-bx), где
у - интенсивность излучения,
х - энергия фотонов,
b - коэффициент, численно равный 1/kT,
g
а - весовой коэффициент, учитывающий зависимость E(T),
Т - температура светодиодной структуры,
g
Е - ширина запрещенной зоны активной области СД,
и выбирают аппроксимированные участки с максимальным и минимальным наклоном, далее, определяют максимальную и минимальную температуры светодиодной структуры на выбранных участках, определяют значение разницы этих температур, вычисляют среднее значение разницы температур, проводят сравнение значения разницы температур для каждой светодиодной структуры со средним, если значение разницы температур больше среднего, делают вывод о низком качестве структуры.
Особенностью заявляемого способа является то, что изменения в спектрах электролюминесценции светодиодной структуры, вызванные примесями, флуктуациями состава твердого раствора, флуктуациями параметров гетерограниц и параметров квантовых ям, как и экситонные эффекты и переходы на мелкие акцепторные состояния, существенным образом влияют только на длинноволновую часть спектра светодиодной структуры и на положение его максимума, в то время как коротковолновая часть спектра люминесценции остается слабочувствительной к указанным выше эффектам. В основе способа определения температурных неоднородностей, позволяющих судить о качестве светодиодной структуры, лежит теория Ван - Русбрека - Шокли, с помощью которой для разрешенных переходов зона-зона было получено выражение, описывающее спектр собственной электролюминесценции:
<mrow><mi>Ф</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msup><mi>С</mi><mo>′</mo></msup><mo stretchy="false">(</mo><mi>Т</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>k</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><mfrac><mrow><mi>h</mi><mi>ω</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></mfrac></mrow><mrow><mi>k</mi><mi>T</mi></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
g
(ω)
где E - ширина запрещенной зоны материала, k - постоянная Больцмана, Т - температура активной области. В множитель С'(Т) введены все величины, не зависящие от энергии фотонов hω. Его значение зависит от температуры, уровня возбуждения (тока) и квантового выхода люминесценции. По существу С'(Т) можно рассматривать как нормировочный множитель, k - спектр собственного поглощения:
<mrow><mi>k</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>A</mi><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>h</mi><mi>ω</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>−</mo><msub><mi>E</mi><mi>g</mi></msub></mrow>
g
Максимум, спектра люминесценции зона-зона расположен при энергии ћω=E+kT/2, а ширина пропорциональна RT.
Качество светодиодной структуры характеризуется дефектностью активной области, которая определяет величину температурных неоднородностей в ней. Чем выше дефектность активной области светодиодной структуры, тем больше вероятность безызлучательной рекомбинации и ниже интенсивность свечения светодиодной структуры. В полулогарифмическом масштабе коротковолновая часть спектра светодиодной структуры может представлять собой набор прямых, наклон которых определяется только RT, т.е. температурой тех участков ее активной области, где и происходит излучательная рекомбинация. Наличие различных наклонов таких участков кривых говорит о неравномерном распределении температуры в активной области светодиодной структуры. На нагрев активной области светодиодной структуры высокого качества влияет в основном распределение тока в ней, поэтому в такой светодиодной структуре температура выше в той части активной области, в которой больше плотность тока. Наибольшая плотность тока в активной области, как правило, формируется под контактом светодиодной структуры, поэтому в этой части структуры будет наблюдаться увеличение температуры кристалла, но относительно небольшое по величине. При наличии в активной области дефекта вероятность безызлучательной рекомбинации в его окрестности будет резко повышаться. Это вызовет значительный локальный перегрев структуры, а величина тепловой неоднородности будет существенно выше, чем в качественной структуре, не содержащей дефектов. При исследовании партии готовых светодиодных структур разница температур под контактом и в периферии их кристалла будет в среднем одинаковой для всех структур высокого качества. Если в партии существует некачественная светодиодная структура, разница температур в ее активной области будет значительно выше средней. Это позволит выявлять наличие дефекта в активной области светодиодной структуры и определить некачественные образцы в партии готовых светодиодов.
Регистрация спектров электролюминесценции осуществляется следующим образом: излучение тестируемых светодиодных структур (в том числе входящих в состав различных изделий на их основе) собирается оптоволокном, подсоединенным к спектрометру быстрого сканирования, в котором оно, попадая на дифракционную решетку, разлагается по длинам волн и регистрируется кремниевой ПЗС матрицей. Измерение одного СД и определение его дефектности может производиться за очень короткий промежуток времени (0,1 с и менее).
Спектрометры быстрого сканирования в сравнении с ИК- микроскопами более компактны и дешевы. Для регистрации электролюминесценции используется оптоволокно и спектрометр быстрого сканирования, поэтому способ является бесконтактным и позволяет исследовать корпусированные светодиодные структуры, в том числе входящие в состав изделий на их основе.
Таким образом, заявляемый способ основан на анализе спектра люминесценции светодиодной структуры, поэтому он не требует излишне громоздкого и относительно дорого оборудования, кроме того, позволяет неразрушающим образом исследовать качество активной области СД, входящие в состав изделий на их основе.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
(ω)
(ω)max
Фиг 1. Спектры электролюминесценции двух светодиодных структур из партии в полулогарифмическом масштабе в координатах 1g(I/I)=f(ћω)).
Фиг.2. Пример обработки спектра на стадиях разбиения на участки и аппроксимации.
Фиг.3. Пример обработки спектра для качественной светодиодной структуры.
Фиг.4. Пример обработки спектра для некачественной светодиодной структуры.
Для каждой светодиодной структуры из партии проводят:
1) Измерение спектра люминесценции светодиодной структуры, а именно:
а. сбор излучения тестируемой светодиодной структуры оптоволокном;
b. разложение излучения светодиодной структуры по длинам волн
дифракционной решеткой;
с. регистрации разложенного в спектр излучения светодиодной структуры кремниевой ПЗС матрицей.
(ω)
(ω)max
2) Построение измеренного спектра в полулогарифмическом масштабе в координатах 1g(I/I)=f(ћω)).
3) Разбиение коротковолновой области спектра на участки.
4) Аппроксимацию участков.
5) Выбор двух участков с максимальным и минимальным наклоном (в полулогарифмическом масштабе).
6) Определение максимальных и минимальных температур участков.
7) Определение разницы температур участков.
8) Определение среднего значения разницы температур для партии светодиодных структур.
9) Проведение сравнения разницы температур каждой светодиодной структуры со средним значением.
10) Определение качества светодиодной структуры.
Пример
При рабочем токе 10 мА измеряли спектр электролюминесценции партии светодиодных структур светодиодов спектроизмерительным прибором со спектральным разрешением не ниже 1 мэВ (~0,04 kT) в диапазоне изменения сигнала не менее двух порядков величины от его значения в максимуме.
(ω)
(ω)max
Полученные спектры строили в полулогарифмическом масштабе в координатах 1g(I/I)=f(ω) (см. фиг.1). Затем коротковолновую область спектра разбивали на участки. Участки аппроксимировали выражением (см. фиг.2):
у=a*ехр(-bх),
g
где х - энергия фотонов, у - интенсивность излучения (отн.ед.), b - коэффициент, численно равный 1/kT, a - весовой коэффициент, учитывающий зависимость E(T).
Коротковолновую область спектра светодиодных структур описали набором аппроксимирующих выражений. Для исключения возможных погрешностей, связанных с интерференцией на спектре дефектной светодиодной структуры, выбирали два участка с максимальным и минимальным наклоном в полулогарифмическом масштабе.
Спектры электролюминесценции и компоненты аппроксимации выбранных участков представителя большинства светодиодных структур представлены на фиг.3 и в таблице 1 соответственно.
Таблица 1
Компоненты
Участок с максимальным наклоном (1)
Участок с минимальным наклоном (2)
Весовой компонент a
3.29Е+29
7.92Е+27
Коэффициент b
34.5
32.7
max
В указанных координатах с коротковолновой стороны спектра, начиная от энергии фотонов, примерно на 20 мэВ выше ћω по тангенсу угла наклона линейного участка, определяли искомую температуру выбранных участков представителя большинства светодиодных структур, по формуле:
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>b</mi><mo>⋅</mo><mi>k</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>34.5</mn><mo>⋅</mo><mn>8.5</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>5</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>341</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>K</mi><mo>=</mo><mn>68</mn><mo>°</mo><mi>C</mi><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>33.8</mn><mo>⋅</mo><mn>8.5</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>5</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>360</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>K</mi><mo>=</mo><mn>87</mn><mo>°</mo><mi>C</mi><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>75</mn><mo>−</mo><mn>68</mn><mo>=</mo><mn>19</mn><mo>°</mo><mi>C</mi><mo>.</mo></mrow>
В результате определяется максимальная, возникающая под контактом, и минимальная, соответствующая периферии кристалла, температуры активной области представителя большинства светодиодных структур. Разница температур большинства светодиодных структур в среднем равна 19°С.
В партии содержался светодиод, спектр электролюминесценции и компоненты аппроксимации выбранных участков светодиодной структуры которого представлены на фиг.4 и в таблице 2 соответственно.
Таблица 2
Компоненты
Участок с максимальным наклоном
Участок с минимальным наклоном
Весовой компонент а
3.29Е+29
7.92447Е+25
Коэффициент b
34.5
30.4
max
В указанных координатах с коротковолновой стороны спектра, начиная от энергии фотонов примерно на 20 мэВ выше ћω по тангенсу угла наклона линейного участка, определяли искомую температуру выбранных участков светодиодной структуры, по формуле:
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>b</mi><mo>⋅</mo><mi>k</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>34.5</mn><mo>⋅</mo><mn>8.5</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>5</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>341</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>K</mi><mo>=</mo><mn>68</mn><mo>°</mo><mi>C</mi><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>30.4</mn><mo>⋅</mo><mn>8.5</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>5</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>387</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>K</mi><mo>=</mo><mn>114</mn><mo>°</mo><mi>C</mi><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>114</mn><mo>−</mo><mn>68</mn><mo>=</mo><mn>46</mn><mo>°</mo><mi>C</mi><mo>.</mo></mrow>
Как видно, разница температур активной области этой светодиодной структуры составляет 46°С и выше средней (19°С). Можно считать, что она является дефектной.
Таким образом, заявляемый способ позволяет снизить его стоимость, использовать менее громоздкое и дорогое оборудование и определять качество корпусированных светодиодов, в том числе входящих в состав изделий на их основе.