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专利名称：由电致发光半导体晶片测试预测led参数的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及发光材料的测试领域。具体地，它涉及用于由在用于制造发光二极管(LED)的半导体晶片上进行的测量来预测独立发光二极管(LED)的电致发光性质的方法和相关的设备。
背景技术：
在晶片级(即，在形成p-n结和有源量子阱层之后，但是在芯片加工步骤之前)的发 光半导体结构的特征通常利用非破坏性晶片探针产生。诸如电流-电压曲线、二极管理想因子、其反向饱和电流、及其在器件级的光谱性质的参数对于由晶片制造的LED的特征至关重要。为此,将导电探针临时地放置成与外延晶片(印i-wafer) (p_GaN)的顶部相接触，而另一电极通过该晶片的边缘或通过其它允许接近n-GaN层的手段来接触n-GaN层。图I中示出了这样的典型的布局。当被激励时，导电探针、在晶片上的半导体P-n结结构、和电极形成临时发光器件。通过将已知电流注入到结中，将发光、并且能够测量和表征光谱性质及其与电气性能的关系。因此，使用探针来表征半导体晶片上的发光结构的诸多目的中的一个在于，在已经对晶片进行处理之后预测在器件级的光学性质和电气性质，由此来制造LED。然而，由于诸如几何形状和电接触方法和配置中的差异等因素，由在晶片上的探针所测量的参数都将通常有别于在由该晶片制造的器件上所测量的那些参数。例如，在器件级，电极被永久地沉积在器件层上，如图2中所示，从而产生界限清楚的电流经过通道。在晶片级，其中仅用预定的加载力来抵靠晶片的表面而机械地挤压探针，探针表面和晶片表面的粗糙结构均产生接触电阻，该接触电阻在将P电极和n电极形成到相应的器件层上的独立器件中不存在。另夕卜，两个电极之间的距离(对于器件测量而言是固定的)会在晶片测量期间随着电流通道位置和长度的相应变化因位置的不同而变化，这从图3中可以认识到。因此，仍然需要能够实现对由晶片制造的LED的光学特性和电气特性的可靠预测的晶片测试方法。本发明描述了一种已经示出达到该目的的可靠的且可重复的结果的方案。

发明内容
本发明依赖于以下的概念，使用二极管模型和在晶片级所采取的导电探针测量，通过去除从晶片测试产生的串联电阻来预测由该晶片制造的半导体器件的特征参数。特别地，将表示作为电阻、理想因子、和反向饱和电流的函数的电流-电压关系的电流-电压曲线(I-V)模型拟合到多个导电探针测量数据。然后，通过从I-V模型减去由拟合步骤产生的电阻乘以电流的积，来估算器件的电流-电压曲线(i-vd)。在本发明的一个实施例中，假设电阻为常量，其使能够仅利用三个测量数据点来表征晶片I-V模型曲线和相应的电阻。然后，简单地通过减去每个点处的电流乘以电阻的积，来获得器件I-V曲线(I-VdX在另一实施例中，将作为电流的函数的电阻在数字上计算为从测量数据导出的I-V模型曲线的斜率。然后，将被拟合到如此产生的数据的电阻对电流模型和I-V模型一起处理，以直接得出器件的电流-电压曲线I-Vd、理想因子、和反向饱和度。本发明的各种其它方面和优势将从接下来的描述和从所附权利要求中具体列举的新型特征中而变得明显。因此，为了完成上述目的，本发明由在下文的附图中所示的、优选实施例的详细描述中充分描述的、以及在权利要求中具体地指出的特征组成。然而，这样的附图和描述公开了可以实践本发明的各种方式中的仅一些。


图I是用来测试发光半导体晶片的常规探针系统的示意图。图2示出在LED结构中的电极的放置。图3示出基于探针的位置，在晶片测试期间如何应用不同的测试电流通道。图4示出在产生本发明的开发工作期间使用的带有球面末端的探针。图5是代表根据本发明而使用的模型的示意图，以利用在测试下的晶片的特性来模拟器件。图6示出当晶片的串联电阻假设为常量时，基于与从晶片获得的测量数据而拟合的二极管模型，通过本发明产生的LED的预测I-V曲线。图7示出由本发明产生的电阻对电流曲线，该曲线用于当晶片的串联电阻被假设为是电流依赖型时，在从晶片测量预测LED的I-V曲线中使用。图8示出当晶片的串联电阻被假设为是电流依赖型时，基于从晶片获得的测量数据所预测的具有图7的电阻特性的LED的I-V曲线。图9示出用于如在产生本发明的开发工作期间使用的发光外延晶片特征的探针(测试)台。
具体实施例方式为了改善对用于发光晶片测试的探针的接触面积的控制，优选地使用成形且打磨的探针。参照附图，其中相似的部件用相同的数字和符号引用，图4示出在本发明的开发期间使用的带有球面末端的探针10。对于给定的探针和晶片材料，接触面积是加载力F和探针末端的曲率半径R (即，接触表面的形状)的函数。因此，通过控制探针的形状和加载力，在几微米至数千微米的范围内调整接触面积的半径r是可能的。如上所述，在晶片级，利用一定的加载力将探针机械地放置成与晶片的表面相接触。探针和晶片两者表面的粗糙度引起接触电阻的增加，当在晶片表面上进行的不同测量之间将探针移至不同的位置时，该接触电阻还受到在两个电极之间的距离的影响。在n电极和n-GaN层(图3)之间的表面接触类似地影响晶片的总体串联电阻。实质上，对于光学/电气测量的目的，这是实际二极管和制造该二极管的晶片结构之间的差异。图5示出从 Jay M. Shaw 等人在 Journal of Applied Physics 第 94 卷、第 4 期、第 2627-2630页“Experimental analysis and theoretical model for anomalously high idealityfactors (n>>2. 0) in AlGaN/GaN p-n junction diodes(用于 AlGaN/GaN p-n 结二极管中异常高理想因子(n>>2.0)的实验分析和理论模型)”中提出的模型而导出的等效电路的图示，通过引用，将该文的整体内容合并与此。该模型被用于本发明的目的，但是本领域的技术人员将认识到，可以以同样的方式使用完全代表二极管性能和串联电阻的任何相似模型。当测试LED时，被测正向电压是p-n结两端的电压降；当测试晶片时，被测的是探针、晶片、和n电极两端的总电压降。因此，在没有晶片和相关器件之间的其它区别的任何附加了解的情况下，我决定测试该附加电阻是否为使得晶片测试结果与由该晶片制造的LED获得的器件测试结果不一致的原因。本发明基于使用诸如图5的模型的二极管模型，以利用在测试下的晶片的光学/电气特性来模拟器件D，然后减去该附加电阻来预测最终的LED特性。参照图5的图示，当电流从p-GaN层注入到GaN层时,该模型代表等价于反向偏压肖特基二极管的P-n结和两个串联的金属半导体触点。Jl代表在P-GaN层和-GaN层之间的p-n结，并且J2代表在导电探针10和p-GaN层之间的和在n电极12和n_GaN层之间的两个串联的金属半导体结是探针的电阻；RS是晶片中的串联电阻；并且&是口-11结两端的并联电阻。如本领域的技术人员将容易理解的，当使电流从探针10注入时，因为半导体材料Jl的掺杂在正向偏压下，所以J2在反向偏压下。常用的二极管方程是
权利要求
1.一种由在制造器件的晶片上执行的导电探针测量来表征半导体器件的方法，所述方法包括如下步骤 将电流-电压曲线(I-V)模型拟合到导电探针测量数据，所述模型表示作为电阻的函数的电流-电压关系；以及 通过从所述(I-V)模型除去根据由所述拟合步骤产生的数据所计算出的电阻效应来估算所述器件的电流-电压曲线(I-Vd)。
2.根据权利要求I所述的方法，其中所述模型包括由所述拟合步骤产生的感兴趣的参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述感兴趣的参数是理想因子。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述感兴趣的参数是反向饱和电流。
5.根据权利要求I所述的方法，其中假设所述电阻为常量，并且所述模型具有下列形式 其中I是电流，I0是反向饱和电流，η是理想因子，R是电阻，q是电子电荷，k是波尔兹曼常量，并且T是温度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中根据下列方程组和至少三个电流-电压测量数据点(Ii, Vi), i =来计算所述理想因子、电阻和反向饱和电流
7.根据权利要求I所述的方法，其中，假设所述电阻随电流可变、并且根据以下方程的测量数据点来计算所述电阻 其中R是电阻，V是电压，并且I是电流。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述器件的正向电压、理想因子、电阻、和反向饱和电流都根据下列方程组计算
9.根据权利要求8所述的方法，其中利用下列估算式来进行所述多参数最小化计算
10.根据权利要求I所述的方法，其中所述半导体器件是发光二极管。
11.一种由在制造器件的晶片上执行的导电探针测量来表征半导体器件的设备，所述设备包括如下 导电探针，所述导电探针适于接触所述晶片的表面，用于通过电激励进行的特征测量; 电极，所述电极适于电连接到所述晶片； 电源，所述电源能够通过所述探针和所述电极向所述晶片施加电激励；以及处理器，所述处理器包括用于基于由所述电激励产生的电流-电压测量数据来表征所述晶片的装置； 其中所述表征装置包括装置以用于 将电流-电压曲线(I-V)模型拟合到所述测量数据，所述模型表示作为电阻的函数的电流-电压关系；以及用于 通过从所述(I-V)模型除去根据由所述拟合步骤产生的数据所计算出的电阻效应来估算所述器件的电流-电压曲线(I-Vd)。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述模型包括由所述拟合步骤产生的感兴趣的参数。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述感兴趣的参数是理想因子。
14.根据权利要求12所述的设备，其中所述感兴趣的参数是反向饱和电流。
15.根据权利要求11所述的设备，其中假设所述电阻为常量，并且所述模型具有下列形式
16.根据权利要求15所述的设备，其中根据下列方程组和至少三个电流-电压测量数据点(Ii, Vi), i =来计算所述理想因子、电阻和反向饱和电流
17.根据权利要求11所述的设备，其中，假设所述电阻随电流可变、并且根据以下方程的测量数据点来计算所述电阻
18.根据权利要求17所述的设备，其中根据下列方程组来计算所述器件的正向电压、理想因子、电阻和反向饱和电流
19.根据权利要求18所述的设备，其中利用下列估算式进行所述多参数最小化计算
20.根据权利要求11所述的设备，其中所述半导体器件是发光二极管。
21.一种在信息存储介质中编码并且可与可编程计算机处理器一起使用的计算机程序产品，所述产品被编程以将电流-电压曲线(ι-ν)模型拟合到来自晶片的导电探针测量数据，所述模型表示作为电阻的函数的电流-电压关系；并且通过从所述α-v)模型除去电阻效应来估算由所述晶片制造的半导体器件的电流电压曲线(I-Vd)，其中所述电阻效应是根据将所述电流-电压曲线(I-V)模型拟合到来自所述晶片的导电探针测量数据而产生的数据所计算出的。
22.根据权利要求21所述的计算机程序产品，其中所述模型包括通过将所述电流-电压曲线(I-V)模型拟合到来自所述晶片的导电探针测量数据而产生的感兴趣的参数。
23.根据权利要求22所述的计算机程序产品，其中所述感兴趣的参数是理想因子。
24.根据权利要求22所述的计算机程序产品，其中所述感兴趣的参数是反向饱和电流。
25.根据权利要求21所述的计算机程序产品，其中假设所述电阻为常量并且所述模型具有下列形式
26.根据权利要求25所述的计算机程序产品，其中根据下列方程组和至少三个电流-电压测量数据点= I... 3...来计算所述理想因子、电阻和反向饱和电流
27.根据权利要求21所述的计算机程序产品，其中，假设所述电阻随电流可变、并且根据以下方程的测量数据点来计算所述电阻
28.根据权利要求27所述的计算机程序产品，其中根据下列方程组来计算所述器件的正向电压、理想因子、电阻和反向饱和电流
29.根据权利要求28所述的计算机程序产品，其中利用下列估算式来进行所述多参数最小化计算
30.根据权利要求21所述的计算机程序产品，其中所述半导体器件是发光二极管。
全文摘要
本发明涉及一种由电致发光半导体晶片测试预测LED参数的方法和设备。利用在晶片级所采取的二极管模型和导电探针测量来预测由该晶片制造的半导体器件的特征参数。将表示作为电阻、理想因子、和反向饱和电流的函数的电流-电压关系的电流-电压曲线(I-V)模型拟合到多个导电探针测量数据。然后，通过从(I-V)模型减去由拟合该(I-V)模型产生的电阻乘以电流的积来估算器件的电流-电压曲线(I-Vd)。
文档编号G01R31/26GK102955116SQ20121029866
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月21日 优先权日2011年8月21日
发明者陈东 申请人:布鲁克纳米公司