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发光 二极管(LED)测试设备和制造方法

阅读：993发布：2021-06-08

专利汇可以提供发光二极管(LED)测试设备和制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且实施方式涉及可用于制造包含发光二极管 (LED)结构的产品的功能测试方法。具体地，通过使用场板，经由位移电流耦合装置注入电流来功能地测试LED阵列，该场板包括非常靠近LED阵列放置的电极和绝缘体。然后将受控电压波形施加到场板电极以并行激励LED装置以获得高吞吐量。相机记录由电激发产生的各个光发射，以产生多个LED装置的功能测试。改变电压条件可以不同的电流密度水平激励LED，以在功能上测量外部量子效率和其他重要的装置功能参数。光谱滤波用于改善测量对比度和LED 缺陷检测。外部光照射用于激发LED阵列并改善电荷注入光发射的开始和吞吐量。，下面是发光二极管(LED)测试设备和制造方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于观察来自发光装置结构的发光的设备，所述发光装置结构设置在支撑基板上，所述支撑基板具有能够从表面到达的第一接触层和包括在所述发光装置结构上的第二接触层，从垂直发光装置结构或横向发光装置结构中选择所述发光装置结构，所述设备包括：
场板装置，所述场板装置具有第一面和与所述第一面相对的第二面，所述第二面包括导电层，所述导电层非常靠近具有中间界面区域的所述发光装置的所述第一接触层的至少一部分；
电压源，所述电压源用于产生电压，所述电压源能够产生随时间变化的电压波形，所述电压源具有第一端子和第二端子，所述第一端子具有耦合到所述场板装置的所述导电层的第一电势，所述第二端子处于第二电势，所述电压源能够将电容耦合电流注入所述发光装置结构，以使所述发光装置结构的至少一部分以一模式发射电磁辐射；和检测器装置，所述检测器装置耦合至所述发光装置结构，以形成源自所述发光装置结构的所述模式的所述电磁辐射的图像。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二端子电耦合到所述支撑基板的背面，所述第二电势处于地电势或处于相对于所述地电势的负电势或正电势，以产生所述随时间变化的电压波形。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一端子电连接至所述场板装置的所述导电层，并且所述第一端子处于地电势或处于相对于所述地电势的负电势或正电势，以产生所述第一电势。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述界面层是间隙介质。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述间隙介质包括气体或真空。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述间隙介质包括液体。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述液体选自由水、去离子水、乙醇、甲醇和乙二醇组成的组。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述界面层包括介电层和间隙介质。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述间隙介质包括气体或真空。
10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述间隙介质包括液体。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述液体选自水、去离子水、乙醇、甲醇和乙二醇组成的组。
12.根据权利要求8所述的设备，其中，所述介电层是存在于所述导电层和所述间隙介质之间的层，所述介电层选自由二氧化硅、氮化硅、氧化铝(Al2O3)、玻璃、石英和塑料组成的组。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述横向发光装置结构包括第一接触层和第二接触层，所述第一接触层和所述第二接触层在所述横向发光装置结构的至少一个面上是能够电到达的。
14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述图像源自所述发光二极管结构的发射表面的光输出，所述光输出是由于施加电容耦合随时间变化的电压波形而产生的。
15.根据权利要求3所述的设备，其中，所述导电层被模式化并且包括在所述第一接触层附近的第一部分和在所述第二接触层附近的第二部分，所述第一部分与所述第二部分电学上和物理上分离，所述第一部分连接到所述电压源的所述第一端子，并且所述第二部分连接到另一个电压源或地电势。
16.根据权利要求3所述的设备，其中，所述导电层包括在所述第一接触层附近的第一部分并且在所述第二接触层附近不存在导电层。
17.根据权利要求1所述的设备，其中，所述垂直发光装置结构包括位于所述发光装置结构下方的所述第一接触层和所述第二接触层。
18.根据权利要求1所述的设备，还包括透镜，所述透镜耦合到所述检测器装置，用于聚焦提供在所述检测器装置上的所述电磁辐射。
19.根据权利要求1所述的设备，其中，所述场板装置对所述电磁辐射是透射的，并且所述电磁辐射穿过所述场板装置。
20.根据权利要求1所述的设备，其中，所述支撑基板对所述电磁辐射是透射的，并且所述电磁辐射穿过所述支撑基板。
21.根据权利要求1所述的设备，其中，所述检测器装置包括根据所述支撑基板的所述发光装置结构上的位置对所述电磁辐射成像以产生所述电磁辐射的模式的观察图。
22.根据权利要求1所述的设备，其中，检测器装置包括相机；并且所述检测器装置还包括使用电接触或使用电容耦合耦合到发光装置结构的所述第二接触层的电通路。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述场板装置是透射的，并且所述相机被安装成对所述发光装置结构成像以收集通过所述场板装置的所述电磁辐射。
24.根据权利要求22所述的设备，其中，所述支撑基板是透射的，并且所述相机被安装成对所述发光装置结构成像以收集通过所述支撑基板的所述电磁辐射。
25.根据权利要求1所述的设备，其中，所述随时间变化的电压波形是从第一电压电势到第二电压电势的电压斜坡，以在测量阶段期间以选定的电流密度正向偏置所述发光装置结构。
26.根据权利要求22所述的设备，其中，所述相机在所述随时间变化的电压波形上对电磁辐射进行积分，以产生在所述发光装置结构上产生的总电磁辐射的空间图。
27.根据权利要求26所述的设备，其中，使用图像处理装置处理积分后的电磁辐射的空间图以执行以下功能中的一项或多项：信号平均、阈值化和分箱，以产生所述发光装置结构的空间相关功能测试结果。
28.根据权利要求1所述的设备，其中，使用材料去除工艺来隔离所述发光装置结构的所述第一接触层，以实现多个能够单独寻址的发光装置。
29.根据权利要求1所述的设备，其中，使用材料去除工艺来隔离所述发光装置结构的所述第一接触层和所述第二接触层，以实现多个能够单独寻址的发光装置。
30.根据权利要求25所述的设备，其中，在被称为复位阶段的时间段内，所述测量阶段之后的所述随时间变化的电压波形从所述第二电压电势返回到所述第一电压电势，所述复位阶段被选择为使用所述发光装置反向偏置漏电流密度，并避免超过潜在损坏性的反向偏置电压。
31.根据权利要求1所述的设备，其中，使用外部光源照射所述发光装置结构以感应光电流。
32.根据权利要求31所述的设备，其中，所述外部光源波长短于所述发光装置结构的所述发射波长。
33.根据权利要求31所述的设备，其中，所述光电流在所述随时间变化的电压波形之前对所述发光装置结构进行正向偏置。
34.根据权利要求31所述的设备，其中，所述光电流在测量阶段之后增加所述发光装置结构的漏电流，以减小复位阶段时间段。
35.根据权利要求1所述的设备，其中，由阻挡滤波器组成的光谱滤波装置插入所述检测器装置和所述发光装置结构之间，以阻挡不需要的光并使从所述发光装置结构发射的光通过。
36.根据权利要求35所述的设备，其中，所述检测器具有光积分时间的开始和持续时间；其中，在相对于外部光源照射的调制的特定时间窗口处测量所述发光装置结构的发射效率。
37.根据权利要求35所述的设备，其中，随时间变化的电压波形与外部光照射组合以确定发光装置结构的功能性。
38.根据权利要求22所述的设备，其中，所述相机是多个相机之一，每个相机被定位成对所述发光装置结构的单独区域成像。
39.根据权利要求22所述的设备，其中，所述相机和较小的场板装置是能够对较小的测试区域成像并且以步进和重复方式进行机械分度以实现更完整的测试覆盖范围的组件。
40.根据权利要求1所述的设备，其中，所述场板装置与所述支撑基板的面积尺寸大致相同，并且所述场板装置被放置在所述支撑基板上，以允许对所述支撑基板进行基本完整的功能测试，而无需对所述场板装置进行步进和重复分度。
41.根据权利要求1所述的设备，其中，通过使用所述场板的外围附近的密封件将所述场板放置在非常靠近所述支撑基板，并且使用真空端口将空气从间隙中抽出。
42.根据权利要求1所述的设备，其中，通过使用所述场板的外围附近的密封件将所述场板放置在非常靠近所述支撑基板，并且使用填充输入和输出端口将液体引入间隙中。
43.根据权利要求1所述的设备，其中，所述场板和所述支撑基板装置之间的紧密接近是实际接触。
44.一种制造光学装置的方法，所述方法包括：
提供一种发光二极管结构，所述发光二极管结构具有要形成的多个LED装置，所述发光二极管结构设置在支撑基板上，所述支撑基板具有能够从表面到达的第一接触层和设置在所述发光装置结构上的第二接触层，所述发光二极管结构为垂直发光二极管结构或横向发光二极管结构；
将场板装置耦合到所述发光二极管结构，所述场板装置具有第一面和与所述第一面相对的第二面，所述第二面包括导电层，所述导电层非常靠近具有中间界面区域的所述发光装置结构的所述第一接触层的至少一部分；
从电压源产生随时间变化的电压波形，以在所述场板装置的介电层和所述发光装置结构之间形成电压电势，以向所述发光装置结构中的至少多个LED装置注入电流，以使所述发光装置结构以一模式发射电磁辐射；以及
使用耦合到所述发光装置结构的检测器装置捕获源自所述发光装置结构的所述模式的所述电磁辐射的图像。
45.根据权利要求44所述的方法，其中，所述场板装置对所述电磁辐射是透射的，并且所述电磁辐射穿过所述场板装置。
46.根据权利要求44所述的方法，其中，所述支撑基板的表面对所述电磁辐射是透射的，并且所述电磁辐射穿过所述支撑基板。
47.根据权利要求44所述的方法，其中，所述检测器装置包括根据所述支撑基板的所述发光装置结构上的位置对所述电磁辐射成像以产生所述电磁辐射的模式的观察图。
48.根据权利要求47所述的方法，其中，检测器装置包括相机。
49.根据权利要求47所述的方法，其中，所述场板装置是透射的，并且相机被安装成对所述发光装置结构成像以收集通过所述场板装置的所述电磁辐射。
50.根据权利要求47所述的方法，其中，所述支撑基板是透射的，并且相机被安装成对所述发光装置结构成像以收集通过所述支撑基板的所述电磁辐射。
51.根据权利要求44所述的方法，其中，所述随时间变化的电压波形是从第一电压电势到第二电压电势的电压斜坡，以在测量阶段期间以选定的电流密度正向偏置所述发光装置结构。
52.根据权利要求47所述的设备，其中，相机在所述随时间变化的电压波形上对电磁辐射进行积分，以产生在所述发光装置结构上产生的总电磁辐射的空间图。
53.根据权利要求52所述的设备，其中，使用图像处理装置处理积分后的电磁辐射的空间图以执行以下功能中的一项或多项：信号平均、阈值化和分箱，以产生所述发光装置结构的空间相关的功能测试结果。
54.根据权利要求44所述的方法，其中，测量阶段之后的所述随时间变化的电压波形从第二电压电势返回到第一电压电势，所述第一电压电势被选择为使用所述发光装置反向偏置漏电流密度，并避免超过潜在损坏性的反向偏置电压。
55.根据权利要求44所述的方法，其中，使用外部光源在所述发光装置结构内感应光电流，以减少使所述随时间变化的电压波形从第二电压电势返回到第一电压电势的时间段并避免超过潜在损坏性的反向偏置电压。
56.根据权利要求55所述的设备，其中，在施加所述随时间变化的电压波形之前，所述光电流正向偏置所述发光装置结构。
57.根据权利要求44所述的方法，其中，使用材料去除工艺来隔离所述发光装置结构的所述第一接触层，以实现多个能够单独寻址的发光装置。
58.根据权利要求44所述的方法，其中，使用材料去除工艺来隔离所述发光装置结构的所述第一接触层和所述第二接触层，以实现多个能够单独寻址的发光装置。
59.一种制造光学装置的方法，所述方法包括：
提供一种发光二极管结构，所述发光二极管结构设置在支撑基板上，所述支撑基板具有能够从表面到达的第一面接触层和在所述发光装置结构下方的第二接触层；
将场板装置耦合到所述发光二极管结构，所述场板装置具有第一面和与所述第一面相对的第二面，所述第二面包括导电层，所述导电层非常靠近具有中间界面区域的所述发光装置结构的所述第一接触层的至少一部分；
从电压源产生随时间变化的电压波形，以在所述场板装置的介电层和所述发光装置结构之间形成电压电势，以向所述发光装置结构中的多个LED装置注入电流，以使所述发光装置结构以一模式发射电磁辐射；和
使用耦合到所述发光装置结构的检测器装置捕获源自所述发光装置结构的所述模式的所述电磁辐射的图像。
60.根据权利要求59所述的方法，其中，所述场板装置对所述电磁辐射是透射的，并且所述电磁辐射穿过所述场板装置。
61.根据权利要求59所述的方法，其中，被测基板的表面对所述电磁辐射是透射的，并且所述电磁辐射穿过所述支撑基板。
62.根据权利要求59所述的方法，其中，所述检测器装置包括根据所述支撑基板的所述发光装置结构上的位置对所述电磁辐射成像以产生所述电磁辐射的模式的观察图。
63.根据权利要求62所述的方法，其中，检测器装置包括相机。
64.根据权利要求63所述的方法，其中，所述场板装置是透射的，并且所述相机被安装成对所述发光装置结构成像以收集通过所述场板装置的所述电磁辐射。
65.根据权利要求63所述的方法，其中，所述支撑基板是透射的，并且所述相机被安装成对所述发光装置结构成像以收集通过所述支撑基板的所述电磁辐射。
66.根据权利要求59所述的方法，其中，所述随时间变化的电压波形是从第一电压电势到第二电压电势的电压斜坡，以在测量阶段期间以选定的电流密度正向偏置所述发光装置结构。
67.根据权利要求59所述的方法，其中，测量阶段之后的所述随时间变化的电压波形从第二电压电势返回到第一电压电势，所述第一电压电势被选择为使用所述发光装置反向偏置漏电流密度，并避免超过潜在损坏性的反向偏置电压。
68.根据权利要求59所述的方法，其中，使用外部光源在所述发光装置结构内感应光电流，以减少使所述随时间变化的电压波形从第二电压电势返回到第一电压电势的时间段并避免超过潜在损坏性的反向偏置电压。
69.根据权利要求68所述的设备，其中，在施加所述随时间变化的电压波形之前，所述光电流正向偏置所述发光装置结构。
70.根据权利要求63所述的设备，其中，所述相机在所述随时间变化的电压波形上对电磁辐射进行积分，以产生在所述发光装置结构上产生的总电磁辐射的空间图。
71.根据权利要求70所述的设备，其中，使用图像处理装置处理积分后的电磁辐射的空间图以执行以下功能中的一个或一个以上：信号平均、阈值化和分箱，以产生所述发光装置结构的空间相关的功能测试结果。
72.根据权利要求59所述的方法，其中，使用材料去除工艺来隔离所述发光装置结构的所述第一接触层，以实现多个能够单独寻址的发光装置。
73.根据权利要求59所述的方法，其中，使用材料去除工艺来隔离所述发光装置结构的所述第一接触层和所述第二接触层，以实现多个能够单独寻址的发光装置。
74.一种制造光学装置的方法，所述方法包括：
提供一种覆盖基板构件的发光二极管结构，所述发光二极管结构设置在支撑基板上，所述支撑基板具有能够从表面到达的第一面接触层和在所述发光装置结构下方的第二接触层；
将场板装置耦合到所述发光二极管结构，所述场板装置具有第一面和与所述第一面相对的第二面，所述第二面包括导电层，所述导电层非常靠近具有中间界面区域的所述发光装置结构的第一接触层的至少一部分；
从电压源产生随时间变化的电压波形，以在所述场板装置的介电层和所述发光装置结构之间形成电压电势，以向所述发光装置结构中的多个LED装置注入电流，以使所述发光装置结构以一模式发射电磁辐射；和
使用耦合到所述发光装置结构的检测器装置捕获源自所述发光装置结构的所述模式的所述电磁辐射的图像；
处理覆盖所述基板的发光装置结构，以使所述发光装置结构单个化或对所述发光装置结构执行另一处理；
将至少一对互连构件耦合到所述发光装置结构；以及
将所述发光装置结构集成到应用中，所述应用选自普通照明装置、灯具、显示器、投影仪、车辆用灯或光束灯或特种照明装置。
75.根据权利要求74所述的方法，其中，所述发光装置结构中的所述LED装置没有探针标记或其他测试标记。

说明书全文

发光 二极管(LED)测试设备和制造方法

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请是2017年6月20日提交的非临时美国专利申请第62/522,576号，其内容通过引用并入本文中。

技术领域

[0003] 本发明涉及发光二极管(LED)装置。更具体地，本发明的实施方式涉及包括在制造工艺期间功能测试发光二极管(LED)阵列结构的方法和设备的技术。在一个实例中，该方法在一般的LED装置功能测试中是有用的，并且对于功能上测试一侧可小到几微米的微型LED(uLED)装置特别有用。利用诸如金属有机化学气相沉积(MOCVD)等技术在支撑基板上生长微型LED。在将各个装置用于其最终照明或显示器应用之前，需要测试LED装置以实现以下一个或一个以上：产量评估、入箱、装置修复/校正和收集数据以用于制造工艺反馈/前馈。

背景技术

[0004] 发光二极管(LED)已被用作传统光源的替代技术。例如，LED可用于标牌、交通信号灯、汽车尾灯、移动电子显示器和电视机。与传统光源相比，LED的各种益处可包括提高效率、延长寿命、可变发射光谱以及与各种形状因子集成的能力。

[0005] 尽管非常成功，但非常需要用于制造LED的改进技术。

发明内容

[0006] 在LED制造工艺期间，使用诸如半导体工业所使用的批量生产工艺在基板上形成LED结构。诸如清洁、沉积、光刻、蚀刻和金属化的工艺步骤用于形成基本LED结构。为了实现批量生产规模制造和更低成本，使用这些工艺在基板上同时形成许多装置。根据所需的LED类型，使用不同的基板和材料。例如，UV发射LED通常由氮化镓(GaN)材料制成，其通常是蓝宝石上的异质外延层或使用氢化物气相外延(HVPE)或氨热法制备的独立式GaN基板。对于其他颜色，可使用GaAs或GaP基板。近来，层状转移到支撑基板上的GaN、GaAs或其他III-V半导体材料已经可用作另一种起始基板类型。可使用本发明公开的方法测试的其他可能的LED结构是在塑料、玻璃或其他合适的基板上制造的有机LED(OLED)装置结构。

[0007] 在LED结构形成制造工艺中，进行各种光学和其他计量测试以确认质量和可重复性。一旦LED结构形成完成，就希望在安装装置之前对每个LED装置进行功能测试，以用作封装内的LED发光器或显示器内的LED发光器。即使存在与所有装置的共同接触(即，所有阴极连接在一起)，每个装置的每个单独的阳极仍然需要单独接触，以便在功能上测试其光电特性。基板上各个LED装置的装置尺寸和绝对体积使其成为一项具有挑战性的任务。例如，测量一侧250μm的具有LED装置(典型的普通照明型LED)的6”基板将包含超过250,000个装置，每个装置都需要接触探针/测量周期。如果6”基板在一侧包含20μm的微型LED装置结构，则需要接触基板上存在的超过4000万个装置中的每一个。因此需要开发允许功能性LED装置测试而无需单独接触的方法。

[0008] 本发明的实施方式利用非直接电接触方法，其中电流通过电容器注入，该电容器使用由适当电压波形源驱动的介电涂覆的场板形成。介电表面的另一侧形成一个放置在各个LED触点平面附近的电容器，并且在场板电极和公共LED触点或第二个电容耦合LED触点之间驱动特定的电压波形。在优选实施方式中，电压斜坡驱动电极以正向偏置位于这些电极之间的LED，产生位移电流，该电流以并行方式将电流流入大型的多个LED装置中的每一个。然后，根据实施方式，使用设置在场板上方或LED支撑基板下方的集成相机测量功能响应(发光)。然后，图像捕获和处理可并行提取许多功能装置测试。以这种方式，少至两个电触点可在功能上测试数百万的LED装置。

[0009] 在每次测量之后，必须以不会通过过度反向偏置损坏LED装置的方式复位电容场板和其他耦合电容元件。适当缓慢的负电压斜坡将允许LED装置的最小漏电流安全地对场板电容器放电，而不会产生损坏性的反向偏置情况。然后可重复另一个测量循环。

[0010] 改变正向偏置驱动电压斜坡将驱动不同的正向偏置电流密度(A/cm2)进入LED装置，从而允许进行更复杂的功能测试评估。通过选择不同的驱动电压波形使得作为正向偏置电流密度的函数的外部量子效率的装置表征数据是本发明的另一个特征。通过修改场板介电设计和电压斜坡值，可在大约0.001A/cm2到10A/cm2或更多A/cm2的大电流密度下检测大量装置的精确电流注入发射响应。

[0011] 这种功能测试方法提供的一个好处是，无需使用高销计数探卡和与每个测试中的可寻址LED装置接触的探针。当使用此类探卡时，每个LED装置都使用一个或一个以上针形探销接触，该针形探销通过锋利的金属销的压力和横向运动在接触区域上实现电接触。此过程几乎总是会产生接触垫刮擦，这会降低LED装置的产量和可靠性。使用具有数百甚至数千个探销的探销卡的测试可靠性，制造和维护成本也值得关注。消除探卡上的划痕或标记，提高LED装置的产量和可靠性以及避免使用昂贵且容易出故障的高销计数探卡是本发明的主要好处。

[0012] 该功能测试方法提供的另一个好处是由于消除了直接的电接触，因此能够在LED制造过程中进行功能测试。洁净室兼容的、无刮擦的LED装置在线测试功能是一种能力，否则由于常规测试方法必须使用高密度的颗粒产生销卡，因此很难或不可行。

[0013] 这种功能测试方法所带来的其他好处是，它既适用于小型和大型LED装置，又适用于大型基板。场板是一种按面积按比例施加电容的结构，并且因此，具有更大面积的较大LED装置会被较大的有效电容激励，而诸如微型LED装置的小型LED装置会被相应较小的电容激励。因此，只需对设备进行少量改动，就可测试侧面毫米大小的大型LED到侧面最小10μm或更小的微型LED。使用较大的场板或使用步进/重复方法使用较小的场板的基板可扩展性是实用且易于实现的。为了获得最高的吞吐量，对在大场板上布置成阵列的多个相机进行并行处理将能够在功能上测试具有最少两个电触点的支撑基板上的所有LED装置，并且在某些实施方式中也没有直接电触点。避免接触可以在基板上成千上万的每个单独的LED装置是本发明的主要优点。

[0014] 本发明中描述的方法被描述为电容电流注入(C2I)功能测试。附图说明

[0015] 图1示出了LED结构的简化横截面。

[0016] 图2示出了在LED批量生产过程中包含LED装置结构的LED支撑基板。

[0017] 图3A至图3B示出了LED支撑基板的俯视图(A)和横截面图(B)，其中单个LED装置被街(street)隔离。

[0018] 图4示出了具有非单个LED装置结构的LED支撑基板，其中顶部接触层具有足够高的薄层电阻，以允许在存在相邻短路时进行电流注入功能测试。

[0019] 图5A示出了非常靠近包含支撑基板上的4个LED装置的LED装置层的一部分的场板的实施方式。

[0020] 图5B示出了图5A的实施方式的对应等效电路。

[0021] 图6A示出了主电容电流注入(C2I)测量序列：电流注入/测量阶段(I)、保持阶段(II)、放电/复位阶段(III)。

[0022] 图6B示出了由图6A的电容电流注入(C2I)测量序列注入的相应LED电流。

[0023] 图7A至图7B示出了场板的两个实施方式，其中相机透过场板(A)并穿过LED装置支撑基板(B)。

[0024] 图8示出了优选实施方式的预期电流密度(A/cm2)与dV/dT电压斜坡的关系。

[0025] 图9A示出了利用在场板和支撑基板之间的空间中产生的真空将场板附接到包含LED装置结构的支撑基板上的基板规模方法。

[0026] 图9B示出了利用场板和支撑基板之间的空间中存在的液体间隙将场板附接到包含LED装置结构的支撑基板上的基板规模方法。

[0027] 图10示出了步进/重复机械配置中较小的场板和相机光学系统。

[0028] 图11示出了根据实施方式的用于模拟C2I功能测试方法的电路模型。

[0029] 图12A至图12D示出了实施方式的电流注入/测量阶段I的详细顺序。

[0030] 图13A至图13D示出了实施方式的电流注入/测量阶段III的详细顺序。

[0031] 图14A至图14D示出了较长时间轴(200毫秒)，其示出了实施方式的4个测量序列。

[0032] 图15A示出了场板的实施方式，该场板非常靠近在具有埋置的公共触点和介电层的支撑基板上的包含4个LED装置的LED装置层的一部分。

[0033] 图15B示出了图15A的实施方式的对应等效电路。

[0034] 图16示出了场板的实施方式，该场板非常靠近在支撑基板上的包含4个LED装置的LED装置层的一部分，该基板用作介电层以电容耦合第二电极。

[0035] 图17示出了三个LED结构A、B和C，其中结构A是垂直LED结构，其顶部表面区域通过顶部电容耦合可到达顶部触点，而底部表面区域通过底部电容耦合可到达底部触点，结构B是横向MESA型LED结构，其顶部表面区域通过顶部电容耦合可到达顶部触点和底部触点，并且底部表面区域通过底部电容耦合可到达底部触点，并且结构C为横向MESA型LED结构，到底部触点的顶部通孔较小。除了相对电容值不同外，结构C与结构B在电气上相似。

[0036] 图18示出了三个电容耦合配置A、B和C，其中配置A使用公共的顶部场板电极，配置B使用仅耦合到顶部(阳极)触点的模式化的顶部场板电极，而配置C使用模式化的顶部场板电极，其顶部(阳极)和底部(阴极)触点分开。

[0037] 图19示出了电荷注入响应传递函数，该函数证明了在C2I电荷注入之前使用外部光源照射的LED偏置预充电效果。

[0038] 图20A示出了在具体实施方式中使用的代表性的UV-IR截止成像滤波器透射曲线。

[0039] 图20B示出了在具体实施方式中使用的代表性带通成像滤波器透射曲线。

[0040] 图21示出了几个LED装置的直方图，它们在垂直刻度上落在Datan值(称为通道或箱)的小范围内，是水平刻度中Datan的函数。

具体实施方式

[0041] 在整个本说明书中，尤其是在下文中，可找到LED的进一步说明。在实例中，一种类型的LED是有机发光二极管(OLED)，其中二极管的发射层由有机化合物形成。OLED的优点之一是能够在柔性基板上印刷有机发光层。OLED已集成到薄的柔性显示器中，通常用于制造便携式电子装置(诸如手机和数码相机)的显示器。

[0042] 另一种类型的LED是基于半导体的LED，其中二极管的发射层包括夹在较厚的基于半导体的覆层之间的一个或一个以上基于半导体的量子阱层。与OLED相比，基于半导体的LED的某些优势可包括提高效率和延长使用寿命。以每瓦流明(lm/W)表示的高发光效率是基于半导体的LED照明的主要优势之一，与其他光源相比，其能耗或功率消耗更低。亮度(明度)是光源在给定方向上每单位面积发出的光量，以坎德拉每平方米(cd/m2)进行度量，并且通常也称为Nit(尼特)。亮度随工作电流的增加而增加，但是发光效率取决于电流密度2
(A/cm)，最初随着电流密度的增加而增加，达到最大值后又由于称为“效率下降”的现象而减小。许多因素影响LED装置的发光效率，包括内部产生光子的能力，称为内部量子效率(IQE)。内部量子效率是LED装置质量和结构的函数。外部量子效率(EQE)定义为发射的光子数除以注入的电子数。EQE是IQE和LED装置的光提取效率的函数。在低工作电流密度(也称为注入电流密度或正向电流密度)下，LED装置的IQE和EQE最初随着工作电流密度的增加而增加，然后在称为效率下降的现象中随着工作电流密度的增加而开始下降。在低电流密度下，由于缺陷或其他过程的强烈影响，效率低下，通过这种过程，电子和空穴在不产生光的情况下重新结合，称为非辐射重新结合。随着那些缺陷变得饱和，辐射重新结合起主导作用，效率提高。随着注入电流密度超过通常在1.0A/cm2和10A/cm2之间的低值，“效率下降”或效率逐渐降低。

[0043] 基于半导体的LED通常用于各种应用中，包括用作指示器和标牌的低功率LED，用于灯板和汽车尾灯的中功率LED以及用于固态照明和液晶显示器(LCD)背光的高功率LED。在一种应用中，基于半导体的高功率LED照明装置通常可在400-1,500mA的电流下工作，并且亮度可大于1,000,000cd/m2。基于半导体的大功率LED照明装置通常在LED装置的效率曲线特性上的峰值效率右边的电流密度下工作。基于半导体的低功率LED指示器和标牌应用在大约20-100mA的工作电流下通常表现出大约100cd/m2的亮度。基于半导体的低功率LED照明装置通常在LED装置的效率曲线的峰值效率或峰值效率右侧的电流密度下工作。为了
2
提供增加的发光，已经增加了LED管芯的尺寸，其中1mm管芯变得相当普遍。较大的LED管芯尺寸会导致电流密度降低，进而可使用从数百mA到更大的安培的更高电流，从而减轻了在这些较高电流下与LED管芯相关的效率下降的影响。

[0044] LED已经在诸如手表、智能手机和笔记本电脑以及计算机显示器和电视显示器的便携式装置中使用了很多年，但是仅间接地用作液晶显示器(LCD)显示技术的替代白光源。这些被称为“LED”电视等，但是实际的LED主要是基于GaN的白色LED，以代替以前使用的冷荧光灯(CFL)背光源来照亮背光。彩色像素的产生继续基于LCD技术，该技术通过光减法处理起作用，其中通过使用中间滤波器阻挡其他颜色来生成颜色。例如，红色像素将由红色滤波器生成，该红色滤波器会阻挡背光LED白色光谱的绿色和蓝色部分。灰度级(像素的光强度)是通过沿光路放置在两个交叉的偏振器之间的液晶单元调制光的偏振而发生的。

[0045] 尽管LED背光驱动的LCD显示技术比CFL背光版本更有效和可靠，但是该技术仍然不节能。原因很简单：尽管LED白色背光装置在外部量子效率(注入到LED装置中的每个电载流子发出的光子)方面相当高效，但在其余的LCD显示技术中仍然存在许多效率低下的问题。第一偏振器将切掉非偏振的白色背光的一小半，然后通过减去剩余光的2/3来对每个像素着色(R不带GB表示红色，G不带RB表示绿色，并且B不带RG表示蓝色)。其他损失包括像素填充系数以及薄膜/LCD单元吸收和散射。因此，总光输出小于白色LED背光强度的大约1/6。

[0046] 趋势是更加节能和明亮的显示技术，特别是对于电池寿命是关键因素的便携式电池供电装置而言。微型LED是实现更高功率效率的有前景的技术。在微型LED显示器中，直接驱动位于像素区域内的小型LED装置以直接发射的方式产生光。可通过以下方式产生颜色：(i)利用带有彩色磷光体的蓝色至UV-LED(即基于GaN的)或量子点颜色转换层，以通过光子降频转换来生成像素颜色，和/或(ii)使用直接生成颜色的LED(例如，AlGaAs、GaAsP、AlGaInP、GaP为红色，GaP、AlGaInP、AlGaP为绿色以及ZnSe、InGaN、SiC为蓝色)。无论哪种情况，微型LED显示器的直接发射/直接观察都可保证将功率效率提高六倍或更多。

[0047] 尽管实现基于微型LED的显示器的基本技术是众所周知的，但是存在许多制造和质量控制挑战。其中之一是在致力于使用像素之前，以经济高效的方式在制造过程中对数百万个微型LED装置进行功能测试。因此，期望能够进行功能测试而无需直接电接触并且以与微型LED大规模制造工艺兼容的方式进行。在整个说明书中，具体地是在下文中，可找到本发明的更多细节。

[0048] 本发明的实施方式描述了在没有直接电接触的情况下LED装置的制造工艺和功能性测试LED装置的方式。具体地，本发明的一些实施方式可涉及功能上测试高亮度LED、中功率LED、低功率LED和微型LED装置的方式。

[0049] 在各个实施方式中，参考附图进行描述。然而，可在没有一个或一个以上这些具体细节的情况下或与其他已知方法和配置相结合地实践某些实施方式。在以下描述中，阐述了许多具体细节，例如具体配置、尺寸和工艺等，以便提供对本发明的透彻理解。在其他情况下，没有特别详细地描述众所周知的半导体工艺和制造技术，以免不必要地使本发明晦涩难懂。在整个说明书中，对“一个实施方式”的引用是指结合该实施方式描述的特征、结构、配置或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施方式中”不一定是指本发明的相同实施方式。此外，在一个或一个以上实施方式中，特征、结构、配置或特性可以以任何合适的方式组合。

[0050] 如本文所使用的，术语“跨”、“上方”、“至”、“在…之间”和“在…上”可指的是一层相对于其他层的相对位置。一层“跨”在另一层上、在另一层“上方”或“之上”，或与另一层“接合”或“接触”，可与另一层直接接触或可具有一个或一个以上中间层。在层“之间”的一层可与这些层直接接触，或者可具有一个或一个以上中间层。

[0051] 本发明的某些实施方式描述了一种LED装置组件，其中，在进一步处理之前，将LED装置结构层从支撑基板转移并接合至拾取板组件。根据本发明的实施方式，C2I功能测试步骤可在转移之前或一次或多次转移之后应用。为了简化其中将多个LED结构转移并可能接合到不同基板上的各种可能配置的目的，目标基板在每种情况下均应称为支撑基板。例如，在MOCVD生长期间支撑LED结构的基板也称为支撑基板，但是在释放并附接到拾取板之后，该板和用于机械支撑LED装置层的任何其他基板或板也将称为支撑基板。如果使用拾取板，则可通过在转移的LED装置结构和拾取板的其余部分之间使用导电材料膜来实现公共电接触。如下面进一步描述的，公共接触也可使用第二介电层和可选的电压波形源来实现。在某些情况下，拾取板材料还将具有一定程度的可控制粘性，以允许在生产过程中拾取和转移LED装置。另外，支撑基板可以是柔性片，诸如塑料薄膜，并且C2I可用于测试单个片上的装置结构，或用作卷对卷制造过程的一部分(例如，在有机LED或OLED制造过程中)。术语“支撑基板”通常将用来表示其作为机械支撑的作用，并且在整个本说明书中，将其作为(C2I)功能测试设备的一部分进行描述。

[0052] 尽管本发明的实施方式描述了单个的和非单个的LED装置结构，但是可存在诸如2
有源矩阵寻址电路和支撑电子器件的附加电子器件。将设计应用于可测性方法并利用C I功能测试方法的一般能力可成功地测试复杂的互连LED结构。为了本发明的目的，仅将LED结构的具体描述作为实例，并且测试方法应被理解为通常适用于测试具有或不具有集成寻址和其他支撑电子器件的单片、非单片、横向和垂直的LED结构。

[0053] 取决于本发明的具体实施方式和制造过程中进行C2I功能测试的要点，支撑基板可以是透明的并具有附加涂层。这些要么直接支持测试过程，要么作为特定LED制造过程步骤要求的一部分而存在，这将在下面更详细地描述。

[0054] 参照图1，代表性的LED 104包括形成n型阴极层100的沉积层、有源层(通常是多量子阱或MQW系列子层)101和p型层102和p接触层103。简化了该LED结构，并且为简单起见，未示出许多附加层，例如缓冲层、阻挡层、n接触层等。在电上，LED将通过作为阳极的层103(或触点106)和通过作为阴极的层100(或触点105)接触。在某些LED结构中，n层和p层也可以是接触层，并且因此，为了本发明的目的，可互换地命名，除非另外具体说明。使用从阳极到阴极的正向(正电压)偏置使电流流过LED装置会从流过有源区的载流子，根据辐射重组过程产生光。有源层101的设计被优化以最大化发光的辐射重组过程。反向偏置LED结构不会产生光。限制反向偏置电压对于LED很重要，以避免通过称为击穿的过程损坏或损毁装置。在安全的反向偏置区域内，少量漏电流流过装置。

[0055] 在LED制造中，使用类似于半导体工业中常见的基于基板的批量生产工艺的方法，批量生产LED装置。参照图2，将图1中描述的LED结构沉积到合适的生长或支撑基板201上以制造LED基板200。取决于所需的LED的类型、质量和颜色，可使用不同的基板材料类型。实例是GaP、GaAs、GaN基板或诸如蓝宝石和碳化硅(SiC)的异质外延生长基板。层转移的半导体层状模板基板是又一类型的生长基板。然后生长LED结构以形成下触点202(在此实例中为n型或阴极)、有源区203和上触点204(在此实例中为p型或阳极)。

[0056] 图2的LED基板包含多个非单一的LED结构。可使用诸如蚀刻、光刻、钝化和沉积的工艺步骤，在LED的制造顺序中对所需尺寸和功能的单个LED装置进行隔离。参照图3A和图3B，可使用诸如蚀刻的工艺来形成期望的LED装置，同时将其驻留在支撑基板301上，以形成例如沟槽308。如果这些蚀刻结构(有时称为“街”)在基板上方形成以形成诸如方形装置的单独隔离的结构，大量的LED装置309被电隔离并且可用于释放和包装。在该实例中，沟槽
308不蚀刻穿过底部公共接触层302，并且因此可连接到公共电势310。因此，可使用电压源
306将每个LED装置309分别接触到p层304和p接触层305。然后可从被接触的装置测量光307以评估其功能。在该实例中，示出了顶部发射LED结构，其中顶部触点305可以是诸如氧化铟锡(ITO)的透明电极。其他结构也是可以的，例如底部发射结构。在这种情况下，支撑结构将优选地是透明的，并且p接触层将是诸如金属层的光反射层。因此，将通过测量从支撑基板逸出的光来测试LED。尽管以上将其描述为使光捕获最大化的优选实施方式，但是即使例如在底部发射LED结构中的LED上方进行光测量，也可测量来自LED的间接散射或反射光。当然，可有其他变化、修改和替代。

[0057] 图4示出了其中LED装置仍未隔离的支撑基板401。如果顶部接触层405具有有限的电导率(诸如具有相对较高的薄膜片电阻率的ITO层)，尽管附近存在短路408，仍然可完成功能测试。使用电压源406接触表面上的点将产生通过顶部触点405、p层404、有源层403、n层403到达公共触点402的电流。对相邻短路408的较高电阻可允许发光407发生。使用场板代替根据本发明实施方式的该直接接触实例将允许非单个的LED层测试。在LED制造过程的早期阶段，暗(非发射)或弱发射区域将是LED层功能产量的指示符。该替代实施方式的功效和空间分辨率将是顶层片电阻率的函数。

[0058] 因此，需要以能够支持大规模制造的方式注入电流以激发如图3和图4所示的各个LED装置或LED区域。

[0059] 在优选实施方式中，本发明具有作为其电流注入装置的场板，该场板包括3个元件：机械支撑板、电极和介电层。参照图5A，场板501包括场板支撑件(顶部)、电极层502，电极层502连接到电压源503并且与介电层504的一个面相邻。机械支撑板也可以是导电的并且仅需要介电层。

[0060] 主要用覆盖在电极层502上的诸如氧化物的物理介电层104或诸如聚合物或塑料的其他绝缘体来描述本发明，但这不是必须的。如果在电极层502和装置接触层508之间选择了合适的间隙介质，也可进行所需的电荷注入。在这样的实施方式中，应注意偏置以避免间隙介质内不希望的电阻短路或介电击穿。在许多随后的实例中，描述了场板介电和间隙介电，有时假设间隙层具有足够高的电容，从而对有效系统耦合电容的影响可忽略不计。场板导电层与发光二极管结构之间的中间区域的组合也称为界面区域。应该理解，有效的场板耦合电容也可由具有或不具有场板介电层的间隙介质组成。当然，可有其他变化、修改和替代。

[0061] 场板电极将连接到电压源503，并且介电层504的开口面将形成每单位面积的电容：

[0062] C’FP＝εo×εr/td (1)

[0063] 其中，

[0064] C’FP是场板每单位面积的电容(F/cm2)

[0065] εo是真空介电常数(8.854×10-14F/cm)

[0066] εr是介电层的相对介电常数(无量纲)

[0067] td是介电层厚度(cm)

[0068] 在实例中，介电层材料的重要材料特性包括介电常数、介电击穿强度、电阻率和光透射率。对于电容耦合配置，易于沉积的电介质，如二氧化硅、氮化硅和氧化铝(Al2O3)是特别受关注的。如果需要DC测试配置，则如果使用也具有有限电阻率的适当间隙介质耦合到装置，具有有限电流泄漏的电介质将允许DC偏置。在这样的配置中，场板电介质可以是可选的，其中场板电压现在可通过间隙介质直接耦合到LED装置。当然，可有其他变化、修改和替代。

[0069] 再次参考图5A，场板501将被充分放置在LED支撑结构505附近，其中n接触底部电极506连接到公共触点507和多个p接触顶部电极508。尽管每个LED装置上的电压在本说明书中示出是使用电压源503和公共触点507产生的，电压源可交替地连接到底部，或者可连接两个电压源，一个连接到电极502和506中的每一个。对于所有电压源配置，有效的LED装置驱动电压将是触点503和507之间的电压差。对于本发明，术语“非常靠近”是指场板介电层504的开口面放置在足够靠近LED结构接触表面508的开口面的位置，以允许电压源503到顶部LED电极表面508之间的所需电耦合。在图5A中，该间隙显示为509，并且可以是最小的，具有有限的间隙或没有间隙。间隙509应足够小以允许足够的电容耦合(用于优化电流注入效率)并最小化电流注入效应的空间散焦。对于具有相对较厚的介电层504和电压源503上的较高电压电平的顶板501，有限的间隙509可允许非接触测试而不会显著降低耦合效率(CEFF’～CFP’)。

[0070] 由组件500制成的结构的电模拟在图5B中示出。电压源510(图5A中的503)连接到有效电容器CEFF 511，有效电容器CEFF 511连接到具有顶表面面积AEFF的LED装置512。电压变化将电流ILED施加到LED装置512上。对于该实例，假设具有共同底部触点的LED装置的隔离。有效电容CEFF简单地是具有间隙509的电容的场板介电层的串联电容，两者的面积均为AEFF：

[0071] C’gap＝εo×εr/tgap (2)

[0072] 其中，

[0073] C’gap是间隙的每单位面积的电容(F/cm2)

[0074] εo是真空介电常数(8.854×10-14F/cm)

[0075] εr是间隙介质的相对介电常数(无量纲)

[0076] tgap是间隙厚度(cm)

[0077] 和

[0078] CEFF＝AEFF×(C’FP×C’gap)/(C’FP+C’gap) (3)

[0079] C’EFF＝(C’FP×C’gap)/(C’FP+C’gap) (4)

[0080] 其中，

[0081] CEFF是有效的LED装置耦合电容(F)

[0082] C’EFF是每单位面积有效的LED装置耦合电容(F/cm2)

[0083] AEFF是有效的LED装置面积(cm2)

[0084] 在其他实施方式中，场板在场板电极502和被测LED装置顶部触点508之间没有场板介电层504。间隙材料将用作介电材料。尽管真空或空气间隙没有液体，但这些介质较低的相对介电常数(大约为1)可电容耦合效率较低，并且在足够高的偏置条件下离子化弱甚至击穿。如果间隙材料具有适当高的介电常数、介电强度和电阻率，则场板电势的有效耦合可帮助提高电容耦合效率。例如，去离子(DI)水可能是用作间隙电介质的良好候选液体材料。由于DI水的相对介电常数较高(εr～81)，击穿电场约为13MV/m，所以DI水填充的间隙层可有效地注入单位面积的电荷而不会发生击穿。纯净至超纯DI水的体电阻率约为1-18兆欧-厘米。如果适当选择间隙参数(即厚度)和注入和测量时间，则II型DI水(>1兆欧-厘米)足以用作间隙介质，而不会产生过多的注入偏置松弛。

[0085] 如果选择液体作为间隙介质，与其他可能的液体相比，诸如甲醇和乙二醇，DI水由于其成本低、可获得性高、材料兼容性和清洁度高而在工业上也是合乎需要的。

[0086] 对于接下来的实施方式，将通过经由足够小的间隙509和/或使用具有高相对介电常数的间隙介质耦合到LED装置的场板介电层，使C’EFF将等于C’FP。

[0087] 电流ILED 513和电流密度JLED容易计算为：

[0088] ILED＝CEFF×dV/dt (5)

[0089] JLED＝C’EFF×dV/dt (6)

[0090] 其中dV/dt是图5A中的电压源510和公共电极507之间的电压变化率(或图5B中的阴极触点)。对于该具体实施方式，LED 512将阳极连接到阴极，但是通过反转所有电压极性，阴极到阳极注入是可能的。

[0091] 图6A和图6B示出了根据本发明的优选实施方式的将形成测量序列的电压和电流波形。在测量序列中存在至少两个阶段，即电流注入阶段I(在时间t0到t1)和放电阶段III(在时间t2到t3)。已经添加了电压保持阶段II以允许足够的时间使相机积分窗口在阶段III开始之前关闭，但是这可能非常短并且可能不是必需的。下面更详细地描述这些阶段并且在t0之前的所有点处假设零电压。

[0092] 参考图6A，电压源-时间曲线图600示出了电压源波形。在时间t0，阶段I以从时间t0到t1的从0到V1的正斜坡dV/dt|1开始。该斜坡将根据等式(5)将电流ILED注入到面积为AEFF的LED中，并且根据等式6将相应的电流密度JLED注入。在时间t1，电压保持在该电压V1直到时间t2。从时间t2到t3，使用负斜坡dV/dt|2将电压降低回零电压状态。在时间t3，然后可开始另一个测量序列。

[0093] 图6B示出了来自图6A的驱动波形的测量序列期间的相应电流ILED波形。在阶段I期间，根据等式(5)，接近恒定的ILED电流将流过LED装置。在阶段I期间将发射光602。在阶段II期间，ILED和光发射将下降到0。为了测量同时被场板激发的多个装置中的特定LED装置的光输出，可使用积分相机捕获来自一个或一个以上LED装置的光。图像处理可生成与位于相机视野内的特定LED装置成比例的值。该值又将与在阶段I上积分的光能成比例。因此，期望启动图像传感器，对从稍微在t0之前的点到稍微在t1之后的结束点之间的时间段进行积分。这将确保相位积分传感器将捕获在阶段I期间从LED结构发出的完整光脉冲。

[0094] 图7A和图7B示出了本发明的两个实施方式。附图示出了顶部和底部相机放置，其可截取通过场板的测量序列激发的多个LED装置的至少一部分。参照图7A，示出了具有透明场板组件702的测试配置700，透明场板组件702包括场板电极703和介电层704。电极703连接到电压源705。该组件放置在非常接近LED装置支撑基板701，支撑基板701支撑连接到公共触点706的多个LED装置707。相机708放置在场板组件702上方以执行功能测试。图7B示出了替代测试配置709，其中相机放置在支撑基板下方。在这种配置中，支撑基板和到LED装置结构的中间层必须是透射的，以允许光到达相机。

[0095] 由LED产生的光功率与通过外部量子效率ηEXT或Popt＝ηEXT×Pelec流过LED的电功率相关。参数ηEXT又对电流密度和其他装置特性，例如光提取效率，非常敏感。因此，LED装置的光功率与电功率相关：

[0096] Popt＝ηEXT×Pelec＝ηEXT×ILED×VF＝ηEXT×CEFF×dV/dt×VF (7)

[0097] 其中，

[0098] Popt＝LED光功率(W)

[0099] ηEXT＝LED外量子效率

[0100] VF＝LED正向压降(V)

[0101] 在一段时间内Δt＝t1-t0(阶段I)：

[0102] Eopt＝ηEXT×CEFF×dV/dt×VF×Δt＝ηEXT×CEFF×ΔV×VF＝ηEXT×Qinj×VF (8)[0103] 其中，

[0104] Eopt＝阶段1期间发出的LED光能(J)

[0105] ΔV＝Δt内总电压变化(V)

[0106] Qinj＝注入的电荷(库仑)

[0107] 根据等式8，积分相机将测量与每个测量的LED的外部量子效率成比例的值。改变电压斜坡值将具有根据等式6选择不同电流密度的效果。通过将Eopt作为斜坡值的函数绘制到V1，可生成作为JLED的函数的光能(与ηEXT相关)的图。这种能力对于测量微型LED装置的低电流密度性能特别有用。微型LED装置通常以非常低的0.001-1A/cm2的值驱动，并且由于非辐射重组过程而对这些低水平的外部量子效率下降更敏感。

[0108] 在阶段III期间，负dV/dt斜坡允许电压返回到零以复位系统以进行另一次测量。在此阶段，LED将反向偏置，并使用反向偏置漏电流对CEFF放电。为了不将LED反向偏置到可能导致损坏的电压电平，负电压斜坡必须足够慢以使所有装置保持在安全的反向偏置电压范围内。可根据要测试的LED的类型和设计来选择这样的范围。仅作为实例，可使用以下文献来估计GaInN LED的反向偏置漏电流密度：Q.Shan等人的题为“GaInN发光二极管中的反向漏电流的传输机制分析(Transport mechanism analysis of the reverse leakage current in GaInN light-emitting diodes)”的论文，应用物理快报99,253506(2011)。图
2示出了室温下1mm2 LED装置的约为1.5×10-7A的-5V反向偏置漏电流。这相当于15μA/cm2。
该反向偏置漏电流密度将用于计算下面第一实例描述的特定C2I实例的值和参数。在稍后将在本发明中描述的其他实施方式中，外部施加的光源可增加可用的漏电流以安全地降低放电时间并提高系统吞吐量。

[0109] 合适的积分相机必须满足以下标准：

[0110] a.像素灵敏度和动态范围(允许在感兴趣的操作范围内精确测量LED，而不会产生过多的暗噪声和信号饱和)。

[0111] b.高像素密度和帧速率(增加吞吐量和并行LED测量)。

[0112] c.全局快门和灵活触发(所有像素必须在同一时间段内触发并积分)。满足这些标准的工业相机的一个实例是来自加拿大不列颠哥伦比亚省里士满的PointGrey研究公司的型号GS3-U3-23S6M-C。该相机是一款230万像素(1920×1200)单色相机，具有全局快门，5μsec至31.9sec曝光范围，超过160帧/秒的速率，1/1.2”传感器格式，12位数字化，5.86μm像素大小，72dB动态范围，76％量子效率(525nm)，约32,000电子的电子饱和容量和约7e-的时间暗噪声。单独使用或以可使用n×m相机同时测量更大的场板面积的矩阵布置方式，相机将能够以必要的精度测量多个LED装置。

[0113] 对于以下实例，假设具有3μm二氧化硅介电层的场板(εr＝3.9)。通常使用该介电材料并且可在许多材料上溅射、生长或沉积。选择的厚度足够薄，以在击穿之前支持超过约1500伏的电压。C’FP为1.15nF/cm2。

[0114] 假设V1的值为500V(参见图6A)。通过这些假设和参数选择，每个LED的光脉冲能量可简化为：

[0115] Eopt＝ηEXT x CEFF xΔV x VF (9)

[0116] 对于所选择的参数，图9示出了针对电压斜坡时间段选择的电流密度。例如，如果场板电压在大约60μsec(阶段I)中从零驱动到+500伏，则LED将以0.01A/cm2驱动。稍微在斜坡开始之前打开相机快门(例如，在t0之前10-50μsec)并且稍微在阶段I结束之后打开相机快门(例如，在t1之后10-50μsec)。除了确保阶段I LED光脉冲完全积分在相机快门时间窗口内之外，应避免过度积分时间，因为这会增加相机的本底噪声。可选择阶段II，以便在积分快门关闭时结束。

[0117] 为了在阶段III期间安全地恢复，使用等式6，其中选择的电流密度近似等于漏电2 2
流密度。例如，利用10μA/cm的目标漏电流密度(略低于15μA/cm的预期泄漏)和ΔV＝500V，等式6预测最小Δt约为60msec。这对应于0.0005A/cm2或更高的注入电流密度的约16帧/秒的测量重复率。

[0118] 为了估计利用该测量方法可获得的信号和由一个相机覆盖的区域，假设以下附加参数：

[0119] a.GaN LED(约410nm发射和65％相机量子效率)

[0120] b.VF约3V

[0121] c.Eopt＝170nJ/cm2(ηEXT～10％)

[0122] 在每个光子约3eV时，在阶段I期间发射约3.5×1011光子/cm2。在相机内可产生的相应光电子的数量将为0.65×3.5×1011光子/cm2或2.3×1011光电子/cm2(假设传感器到场板1：1放大倍数和100％收集效率)。在此放大倍率下，5.86μm像素尺寸仍将捕获超过78,000个电子，是像素饱和容量的两倍多。如果需要每个相机像素的较低的积分光电子数，则可选择较低的V1电压。

[0123] 以0.5倍收集透镜(型号#62-911TECHSPECTM大幅面远心镜头，由美国新泽西州巴灵顿的Edmund Optics制造)为例，尽管图像传感器上会成像约21mm×16mm的LED基板区域，但是可能会有变化。工作距离为175mm，入口孔径约为90mm，与4πsr相比，总收集效率约为1.7％。收集的预期光电子将为2.3×1011光电子/cm2×(5.86μm×2)2×0.017＝5.3ke-/像素。这完全在传感器的动态范围内，如果需要，信号平均或增加V1可进一步改善信号质量。
当然，可有其他变化、修改和替代。

[0124] 因此，场板到相机传感器区域的成像与每个LED装置分配的像素数相比，可用信号的函数较少。对于侧面尺寸为250μm的大型LED装置，需要较小的放大倍数。假设2×2像素的面积覆盖每个LED装置以进行准确的计量，则一台相机可测量960×600个LED装置，240mm×150mm的场板面积或大于6”支撑基板的面积。在此实例中，V1可降低到低于100V，甚至更低，同时仍保持出色的信噪比。如果光脉冲能量太高，可在发射表面和相机之间放置一个中性密度滤波器或其他吸收滤波器，以避免相机饱和。

[0125] 对于具有10μm×10μm LED装置尺寸的微型LED应用，将测量每个传感器相同的960×600LED装置或约9.6mm×6mm的场板面积。具有大约16×25步的步进和重复系统将允许测试包含超过1.7亿个装置的6”微型LED基板。如果每个LED装置的单次测量足够，则使用移动的相机或多个相机进行同步图像捕获可将测试时间减少到不到1分钟甚至几秒钟。例如，每秒16帧的捕获率将允许在大约25秒内对完整的6”基板进行功能测试。这对应于每秒测试的900多万个LED装置，远远快于探卡和各种测试方法。

[0126] 在优选实施方式中，图9示出了基板尺寸的场板可使用真空(图9A)或诸如DI水的液体(图9B)附接到支撑基板以制造适合于功能测试的组件900或901。图9A示出了将真空用作间隙介质的实例。场板901放置在LED装置支撑基板902上，其中柔性真空密封件903放置在外部的外围区域上，以保持场板和LED装置支撑基板之间的真空水平。然后使用真空端口904在板之间的空间中抽空空气。板在高达大气压力下被压在一起以均匀的方式使间隙最小化，从而优化有效场板耦合电容CEFF。支撑基板交换机构可通过在真空和通风条件之间的循环端口904来在场板下交换待测试的基板。在该实施方式中示出了在场板上方测量的相机905。图9B示出了使用液体作为间隙介质的实例。场板911放置在LED装置支撑基板912上，柔性密封件913放置在外周区域上，以保持场板和LED装置支撑基板之间的密封水平。然后，在板之间的空间中抽空空气，并使用间隙液体填充输入端口914和间隙液体填充输出端口
915替换为液体介质。可通过调整输入和输出填充端口参数来维持负压。在用液体介质填充间隙之后，板在高达大气压力下被压在一起以均匀的方式使间隙最小化，从而优化有效场板耦合电容CEFF。用回填气体使过程逆转会大大排空液体。支撑基板交换机构可通过在排气/交换状态到允许使用所需间隙介质进行测量的状态之间循环气体或液体端口来交换在场板下要测试的基板。这些实施方式示出了在场板上方测量的相机905或916。当然，可有其他变化、修改和替代。

[0127] 在另一个实施方式中，图10示出了包括较小的场板1000和放置在LED装置支撑基板1002上方的相机1001的组件。场板/相机组件在连续的移动/测量步骤1003中移动以测量完整的基板1002。当然，可有其他变化、修改和替代。

[0128] 显示主要阶段1和3波形的测量序列的电模拟显示在图11至图14中。

[0129] 被模拟的系统如下：

[0130] 1.场板：3μm二氧化硅，C’EFF＝1.15nF/cm2

[0131] 2. 10μm×10μm LED装置尺寸：1.15fF CEFF，15pA反向漏电流

[0132] 3. 0.01A/cm2电流密度测试点

[0133] 4.V1＝500V(60μsec斜坡时间，实现0.01A/cm2电流密度注入)

[0134] 5. 60msec测量重复率

[0135] 6.LED装置是标准二极管，能够支持的反向漏电流约为10pA使用的程序是来自Spectrum Software(Sunnyvale，California)的称为Micro-Cap版本11的SPICE电路模拟器。在上述条件下模拟一个10μm×10μm的LED装置。图11示出了由电压发生器V2驱动的CEFF＝1.15fF的电路图。将该发生器编程为在60μsec内从0升至+500V，然后从+500V向下降低60msec至0V。电压源V3未连接但被编程为显示所需的相机快门窗口的实例。在此实例中，快门在阶段I之前打开10μsec，在阶段I之后关闭10μsec。

[0136] 图12A至图12D示出了具有电压源V2(图12A)、LED装置正向偏置(图12B)、LED装置正向电流(图12C)和来自电压源V3(图12D)的相机快门控制信号的阶段I波形。参考图12D，相机积分器快门在电压开始之前10μsec打开(时间轴上的时间+10μsec)。在时间轴上+20μsec时，电压源开始向+500V(时间t0)斜坡上升。在该阶段I期间直到+80μsec的时间，LED装置在大约+250mV(图12B)的正向偏置下偏置在+10nA(图12C)。这根据需要对应于0.01A/cm 2的电流密度。经过+80μsec的时间后，电压斜坡停止，LED电流降至零。在时间+90μsec时，相机快门关闭，完成其在阶段I期间产生的光脉冲的积分。电压源现在将以-10pA的目标漏电流开始缓慢放电。图13A至图13D示出了在阶段III期间相同电压和电流点持续放电约
60msec。图13C示出了-10pA放电电流，其允许CEFF安全地从+500V到0V放电超过60msec。在电压源在约+60msec处返回到零之后，启动新的测量序列。图14A至图14D示出了较长的时间轴(200msec)，示出了4个测量序列。

[0137] 场板电极连接到电压源1503，并且可选的“泄漏”介电层504的开口面形成每单位面积的电容：

[0138] C’FP＝εo xεr/td (10)

[0139] 其中，

[0140] C’FP是场板每单位面积的电容(F/cm2)

[0141] εo是真空介电常数(8.854×10-14F/cm)

[0142] εr是介电层的相对介电常数(无量纲)

[0143] td是介电层厚度(cm)

[0144] 电介质的电阻率为ρd，选择该电阻率以允许LED装置在DC偏置配置中的所需偏置。驱动偏置响应时间的时间常数是εo×εr×ρd。有效阻力可按下式计算：

[0145] R’FP＝ρd x td(ohms-cm2) (11)

[0146] 其中，

[0147] R’FP是场板单位面积的电阻(ohms-cm2)

[0148] ρd是场板介电层的电阻率(ohm-cm)

[0149] td是介电层厚度(cm)

[0150] 在实例中，泄漏介电层通常可描述为具有相当高的相对介电常数，近似1Mohm-cm或更高的电阻率和足够高的介电击穿场强度的层。II型DI(去离子)水符合这些标准，介电常数为81，电阻率为1Mohm-cm，并且击穿场强超过13MV/cm。在其他实例中，该层可以是略微导电的掺杂玻璃/陶瓷、塑料等。如果约为1的小的相对介电常数是可接受的，则具有间隙内的电压的空气层可通过弱电离而变得稍微导电，以实现“泄漏”介电层的功能。

[0151] 尽管已经以存在于LED装置下方的公共触点描述了本发明，但是其他电流注入配置也是可能的。图15A示出了另一个实施方式1500，其中场板1501的类似物存在于诸如LED装置1503的多个LED装置结构下方的支撑基板1502中。在最低的LED装置结构层(在本发明中描述的实例中为n层)之下，介电层1504和电极1505完成了支撑基板电容耦合装置。电极1505连接到电压源1506。场板连接到单独的电压源1507和场板电极1508。在该实例中，相机
1509放置在场板上方以捕获多个被测LED装置的光发射响应。在该实例中，示出了装置之间的隔离是完全的，但是无论有或没有n层完全隔离，此方法仍将起作用。图15B示出了这种电容耦合的支撑基板配置的等效电路1511。唯一的变化是在每个LED装置阴极下方插入第二耦合电容器CEFF2。可使所得电路等效运行，并有效执行C2I功能测试。例如，假设支撑基板介电层1504与场板内的介电层1510相同，则电压源1506被相同但负地驱动至电压源1507(对于源1506为0至-500V，并且对于源1507为0至+500V)，测量系统1500的性能基本上与普通的接触支撑基板结构相同。

[0152] 在又一个实施方式中，C2I功能测试也可应用于图15A的测试配置的修改，其消除了对支撑基板内的掩埋电极的需要。在该实施方式中，支撑基板自身的介电特性用于注入通过LED装置的电流。例如，石英、蓝宝石、玻璃或塑料支撑基板可用作图15A中的电介质1504。图16示出了该配置的具体实施方式1600。将具有足够介电特性和厚度的支撑基板
1601放置在连接至电压源1606的电极1603的顶部，该支撑基板1601在其表面上包含多个LED装置，例如LED装置1602。尽管未具体示出，但在电极1603和支撑基板1601之间可存在间隙，如果需要，允许支撑基板的背面的非接触操作。尽管未具体示出，但是也可在电极1603和支撑基板1601之间插入附加的电介质。间隙(和可选的介电覆盖电极1603)将以与装置间隙509的顶部场板使用等式2至等式4修改CEFF和CEFF’相似的方式修改CEFF2。具有介电层1605和连接到第二电压源1607的电极1606的场板1604完成C2I功能测试电路。在该实施方式中，示出了放置在场板1604上方的相机1608。等效电路将类似于图15B，不同之处在于，由于支撑基板的厚度，CEFF2值可能会大大减小。例如，由厚度为500μm的蓝宝石(εr～10)制成的支撑基板C’EFF2约为18pF/cm2，比CEFF1小约65倍。V1的更快的电压斜坡和/或更大的电压值可补偿耦合效率的损失。例如，场板电压源1607可从0被驱动到+300V，而支撑基板电压源1604可被以0到-19.5kV(-300V×65＝-19.5kV)驱动。蓝宝石支撑基板内的电场强度将为0.4MV/cm，低于蓝宝石的介电击穿强度。如果选择的偏置条件导致任何介电区域内的电场强度接近或超过避免介电击穿所需的安全工作条件，则必须修改材料或偏置条件。以这种方式驱动，LED装置将被基本等效地驱动，并允许进行C2I功能测试，而不会在LED装置支撑基板内产生掩埋接触。可使用IGBT、MOSFET或晶闸管装置来实现驱动电极1603的高压波形发生器。能够切换高达36kV的高压开关是Belke Electronic GMBH(Kronberg，德国)的HTS-361-01-C型号(36kV，12A最大电流)和HTS-361-200-FI型号(36kV，2000A最大电流)。可编程波形整形电路可将快速电压变化减慢到满足所需C2I功能测试特性的电压斜坡。对于6”基板，总电容约为3.2nF，每秒测量16次，1/2CV2f功率约为10瓦，平均电流约为500μA，对于可购买到的高压开关在正常操作规范内。对于支持HTS-361-200-FI 2000A的开关，可执行高达11A/cm2的电流密度C2I测量。当然，可有其他变化、修改和替代。

[0153] 图17示出了电容电流注入变型A、B和C，其可包括多达3个电压源以使LED结构1700通电。变型A是垂直LED结构，其中顶部LED结构区域对应于顶部电极(阳极)并且底部LED结构区域对应于底部电极(阴极)。因此，Ctop-a等于图15B的CEFF1，而Cbot等于图15B的CEFF2。横向LED结构，诸如具有小的顶部区域的LED装置1701，被蚀刻以暴露n层1702(阴极)，而该区域的其余部分包含有源层、顶部p层和p层触点1703(阳极)。在变型B中，有效电容Ctop-b可到达顶部阳极触点，而有效电容Cbot-b可到达阴极触点区域1702。阴极区域也可通过支撑基板1704经由电容Cbot和底部电极1705到达。如果LED装置的总顶表面积等于变型A，则Ctop-b+Cbot-b将等于Ctop-a，并且每个电容值将与其表面积成正比。例如，如果顶部阳极面积为总面积的75％(顶部阴极面积为总面积的25％)，则Ctop-b＝0.75×Ctop-a，并且Cbot-b＝0.25×Ctop-a。由于未修改总底部面积，因此Cbot没有变化，但是由于MESA蚀刻接触方法，有效面积较小(在本实例中为75％)。有效的电流密度注入值计算将需要有效面积与总面积之比的校正。变型C使用通孔触点具有较小的顶部阴极触点。除了不同的电容和有效面积与总面积之比值以外，变型C与变型B相似。

[0154] 使用变型B的横向LED MESA结构作为实例LED结构，图18示出了测试组件1800，其具有三个分离的LED装置1801的三个可能的接触选项，使用位于具有底部电极1804的支撑基板1803上的装置顶部的顶部场板1802。注意，电极1804可以是包括上覆电介质的电极组件，并且可放置在支撑基板1803附近。Cbot将被修改为包括这样的附加介电层和间隙。

[0155] 图18的变型A具有覆盖整个LED装置并由电压斜坡驱动至电压V1的顶部场板电极1805。底部电极1804由负电压斜坡驱动至电压V2。假定顶部场板电极1805根据图6A的阶段I使用正斜率来驱动，而假定底部电极1804由负斜率驱动，其中V2通过电容适当地缩放，如下文进一步解释。变型B具有模式化的场板电极，其中仅存在阳极1806，并且通过电容Ct-b将电流注入LED装置。由于在顶部阴极接触区域上方不存在电极，因此假定顶部阴极电容可忽略不计。变型C具有模式化的场板电极结构，其中顶部阳极触点使用到电压V1的正斜坡电容耦合至场板电极1807，顶部阴极触点使用到电压V3的负斜坡电容耦合至场板电极1808。

[0156] 在又一个实施方式中，图18的变型C可以以电容模式和/或DC模式在顶板电极1807和1808下方的装置1801中注入电流，而无需底部电极1804。在AC(电容耦合)模式下，将使用跨电极1807和1808施加的随时间变化的电压波形来产生电流，以在LED装置内电容性耦合位移电流。在DC模式下，该装置将由在电极1807和1808以及可具有选定电阻率的界面区域上产生的电压所施加的电流激励。

[0157] 在DC偏置模式下，图18的变型C电极沿电极1807和1808之间的界面区域产生电压梯度。如果施加了足够高的差分电极电压，则该横向梯度可用于偏置多个LED装置。例如，如果移除了电极1807，并且在电极1806和1808两端产生了DC偏置，则将在变型B和C的LED装置之间产生大致线性的横向电压梯度。为了使用该横向偏置模式打开每个LED装置，每个LED装置都需要一个最小的装置阈值电压差。假设GaN LED装置的电压为3V，LED装置的触点间距为50μm，则LED装置横向触点之间将需要大约60V/mm的电压梯度。对于多个装置横向偏置，由于装置的结构和间距，实际的梯度会更高。该模式可用于偏置一串LED装置诸如图18中的。使用200串LED装置和50μm的装置间距，偏置电压约为60V/mm×200装置×0.05mm或600V。施加10mm的偏置将产生足够强度的电压梯度，以激励200个LED装置中的每一个。该横向偏置模式可与垂直电容偏置结合使用，以对基板上的LED装置进行功能测试。如果LED装置的极性交替或希望减少LED装置的数量，则可制造适当的模式化的顶部场板电极结构，其可适当地偏置每个LED装置。当然，可有其他变化、修改和替代。

[0158] 除非另有说明，否则假定装置中的净净电荷积累为零(阳极电荷流入＝阴极电荷流出)和相等的电压斜坡周期。将这些偏置条件应用于阶段Ⅰ的图18的结构，各种关系如下：

[0159] 1.变型A(横向LED装置，连续场板)

[0160] 注入电流＝Ct-a×dV1/dt

[0161] V2＝-V1×(Ct-a+Cb-a)/Cbot

[0162] 2.变型B(横向LED装置、仅阳极上的场板电极)

[0163] 注入电流＝Ct-b×dV1/dt

[0164] V2＝-V1×Ct-b/Cbot

[0165] 3.变型C(横向LED装置，阳极和阴极上分开的场板电极)

[0166] 注入电流＝Ct-c×dV1/dt

[0167] V1×Ct-c＝-V2×Cbot-V3×Cb-c

[0168] 对于所有三种结构，JLED＝注入电流/有效面积，其中有效面积是装置接触的MQW结构的面积。

[0169] 仅作为实例来说明在横向装置结构上使用C2I测量，假定图18的变型A-C的LED结构具有以下公共参数和光电收集配置：

[0170] a.25μm×50μm装置尺寸

[0171] b.横向LED装置分配的75％(阳极和有源区域)和25％(阴极)区域

[0172] c.目标JLED＝0.01A/cm2

[0173] d.蓝宝石支撑基板厚度为1mm(εr＝10)

[0174] e.阶段Ⅰ电压上升时间为25μsec

[0175] f.场板电介质：2μm氮化硅(εr＝7.5)

[0176] g.Ct-a＝Ct-b＝Ct-c＝31fF

[0177] h.Cb-a＝Cb-c＝10.3fF

[0178] i.Cbot＝0.11fF

[0179] j.注入电流＝93.7nA

[0180] k.Eopt＝75nJ/cm2

[0181] l.光子/LED装置发出～1.5×106个光子

[0182] m.每个LED装置检测到的光电子(65％量子效率，90mm透镜孔径，175mm工作距离)～每个C2I测量周期约16,000个光电子

[0183] 变型A实例1：

[0184] a.V1＝+75V

[0185] b.V2＝-28.2kV

[0186] 变型A实例2(顶部场板接地情况)：

[0187] a.V1＝0V

[0188] b.V2＝-28.275kV

[0189] 变型B实例1：

[0190] a.V1＝+75V

[0191] b.V2＝-21.3kV

[0192] 变型B实例2(顶部场板接地情况)：

[0193] a.V1＝0V

[0194] b.V2＝-21.375kV

[0195] 变型C实例1：

[0196] a.V1＝+75V

[0197] b.V3＝-75V，V2＝-14.1kV

[0198] 变型C实例2：

[0199] a.V1＝+75V

[0200] b.V3＝-226V，V2＝0V

[0201] 尽管当使用图18的变型A的实例2时，将发生一些共模充电并且可能需要更高的底部电极电压V2，但是该实施方式通过对于大多数横向LED结构仅需要接地的，无模式的场板而特别有用。

[0202] 在又一个实施方式中，顶部场板可具有更厚的电介质并且需要更高的电压V1。这可具有减轻顶部装置结构拓扑效应的优点，有利于非接触式测试，并且可改善诸如刮擦等的轻微的介电缺陷的顶部场板的坚固性。例如，对于图18的变型A，一个200μm的石英场板电介质(在前面的实例中为元素(f))和10um的气隙将需要以下电压：

[0203] a.V1＝+17.4kV

[0204] b.V2＝-28.5kV

[0205] 选择这些电压是为了避免净电荷转移到装置上，从而基本上使LED装置结构接近地电势。重要的是要认识到，如果电场强度足够高，气隙将破裂并被电离。根据Paschen的标准压力和温度下的空气定律，一个10μm的气隙将在350V左右击穿，而上述实例假定在整个气隙上可保持2.8kV以上。相反，在此实例中，对于超过约+2.2kV的V1电压，气隙将被电离并降低整个气隙上的电压降。假设电离气隙两端没有压降，则所需的V1将更接近+14.5kV。当然，其他电压波形和值也可实现所需的电流注入条件。当然，可有其他变化、修改和替代。

[0206] 当使用模式化的场板电极模式时，诸如在图18的变型B和C中，每个横向装置结构都需要特定的电极模式，并且顶部场板电介质厚度必须小于或等于相同数量级作为装置间距，以避免过多的电场交叉耦合。此外，在场板1802和支撑基板之间的模式化的顶部场板的精确位置配准对于最大化耦合效率和最小化寄生电容(例如在电极1807和n层阴极接触区域之间)是重要的。电极和LED结构之间的位置配准在装置尺寸的+/-5％之内被认为足以允许有效耦合和可重现的C2I测量。对于多个电极结构，诸如图18的变型C，配准对于避免损坏被测装置也很重要。例如，没有将场板配准到装置结构会否定电流注入，甚至通过注入大量的反向偏置电压而损坏LED装置。

[0207] 在又一个实例中，可用由10um DI水层组成的顶部场板电介质等效地偏置LED装置，而底部电极是2μm二氧化硅的埋入式电极结构。此底部结构类似于图15A的元件1504和1505。对于本实例，产生等效LED偏置所需的电压斜坡电平为：

[0208] a.V1＝+35V

[0209] b.V2＝-145V

[0210] 在前面的实例中，使用了具有75％MESA结构的横向装置。当使用如图17变型A中所示的垂直LED结构时，有效发射面积约为100％，但是对装置进行一些修改以限制电流或控制周边的泄漏效应可能会将有效面积降低到小于100％。假设100％的阳极有源区域垂直结构，则可通过设置Ctop-a＝Ctop＝Cbot和Cbot-b＝0来计算等式和偏置条件。

[0211] 在前面的等式中，假设光产生与注入电流同时并发地发生。在实际的LED装置中，存在有限的结电容，该电容需要电荷以在发光开始发生之前将装置从第一状态偏置到正向电压状态VF。该结电容是LED电势的函数，但对于大多数基于GaN的MQW结构，结电容C’jct约为60-200nF/cm2数量级。假设恒定的结电容为100nF/cm2，初始电压为零伏，最小正向电压VF2
为2.5V，则在开始输出光之前，必须向LED结构提供250nC/cm的净电荷Q’jct。这引入了电荷偏移，该电荷偏移可限制C2I方法的电荷注入下限。可将等式8修改为考虑该电荷效应(每单位面积)为：

[0212] E’opt＝ηEXT×(C’EFF×ΔV–C’inj×V’)×VF (10)

[0213] 其中V’是将LED充电至发射阈值所需的有效电压值。如果将LED完全放电至0V，则将LED完全预充电至VF时，该值可为零。

[0214] 除非在发生电荷注入事件之前以某种方式将LED预充电至VF，否则在发射开始之前将LED充电至接近VF的水平的要求就将最低ΔV条件设为：

[0215] ΔVmin＝(C’inj×VF)/C’EFF (11)

[0216] 假设零偏置初始状态，则电压变化小于ΔVmin时几乎不会发光。

[0217] 本发明包括通过使用外部光源以光电方式感应出VF量级的开路电压，以能够降低甚至消除ΔVmin的方式对LED装置进行预充电的能力。满足某些特性的外部光源可在电荷注入事件发生之前激发载流子为LED装置充电。特点是：

[0218] 1.波长小于或等于LED装置发射波长的光，以有效激发整个带隙的载流子。

[0219] 2.具有足够强度的光，以允许在可接受的时间段内充电并克服重组过程。

[0220] 可通过如下编写LED装置的光电二极管等式来模拟这种效果：

[0221] ILED＝Io×(eqV/kT–1)–Iph (12)

[0222] 其中，

[0223] ILED＝流过LED装置的电流(安培)

[0224] Io＝暗饱和电流(安培)

[0225] V＝LED电压(伏)

[0226] kT/q＝热电压(室温下约25mV)

[0227] Iph＝光电感应的电流(安培)

[0228] 光感应光电流Iph是外部光源可产生的量。该级别大致等于A/W(在特定光源波长下)的响应度乘以以瓦特为单位入射在LED MQW有源层上的入射光功率。

[0229] 可通过重写等式12可得到开路(ILED＝0)条件下的LED电压来求解VLED：

[0230] VLED(开路)＝kT/q×ln(Iph/Io) (13)

[0231] 如果Iph足够高，则VLED可接近VF，因此可将ΔVmin降低到相对较小的值。为了证明这种效果，基于GaN的LED(来自美国新泽西州牛顿的Thorlabs公司的455D2型PCB安装LED)的发射面积为1mm2，发射波长为455nm，结电容约为1.3nF(在V＝0时测量)，用作测试LED。现在，使用类似的基于GaN的LED(来自美国新泽西州牛顿的Thorlabs公司的LEDD1B LED型驱动器驱动的455L3型安装的LED)照亮现在操作和测量为光电二极管的LED，该LED具有455nm的发射波长。源LED由1000mA的正向电流驱动。200mm处的辐照度指定为约30μW/mm2。测得的Iph(短路电流条件)约为5μA，并且开路电压VLED约为2.2V。这接近于约30μW/mm2×1mm2×0.15A/W＝4.5μA的预期光电流，其中0.15A/W是基于相似装置和类型的此装置的假定响应度。这证实了在电荷注入阶段(阶段I)之前使用外部光源将LED预充电至接近VF的水平以减小或消除ΔVmin的潜力。

[0232] 在某个实施方式中，外部光源将被激活并用于对被测LED进行预充电，但是在阶段1期间刚好在相机积分阶段开始之前将其关闭。如果来自该预充电阶段光源的光严重干扰LED的发射测量，则这是期望的。例如，455nm的外部光源可对也以455nm发射的LED装置进行预充电，这将增加测量值，从而降低测量精度并可能使相机传感器饱和。在该实施方式中，外部光源的关闭与阶段Ⅰ的电压斜坡启动之间的延迟可通过LED二极管漏电流和其他损耗机制，诸如低LED发光，来降低预充电状态电压。虽然所用外部光源的关闭时间以及相机积分到电斜坡时间延迟对延迟时间设置了下限，将预充电LED电压状态松弛保持在最小对延迟设置了上限。在上面的实例中，455nm LED光源需要约500usec才能关闭，而在几毫秒的延迟后会发生过度的预充电松弛。

[0233] 图19示出了用外部光源照明后，以电压斜坡驱动的测试LED的测量响应。测试LED是455D2 PCB安装的LED，由100pF电容器上持续3μsec的电压斜坡驱动，该电容器能够承受电压波形而不会击穿。光学测量系统由相机(来自加拿大不列颠哥伦比亚省里士满的PointGrey Research Inc.的GS3-U3-23S6M-C)和0.9倍收集透镜(美国新泽西州巴灵顿Edmund Optics制造的#62-901 TECHSPECTM大幅面远心透镜)组成。相机设置为增益＝0dB，500μsec积分窗口和外部触发。调整了相机积分窗口，以最小化残余外部源对相机响应的影响。积分窗口开始时间设置为从外部光源关闭起的200μsec延迟，并且脉冲斜坡开始时间设置为在积分窗口内发生300μsec。外部光源是455L3安装的LED，由LEDD1B LED驱动器驱动，两者均来自美国新泽西州牛顿的Thorlabs公司。外部光源距离测试LED约200mm，并以
1000mA电流驱动。撞击在测试LED上的预期外部光源吞吐量约为30μW。带有和不带有外部光源预充电的响应，都示出了等式10的存储电荷偏移量的明显改善。显示出减小外部光源到注入延迟以改善发射偏移量，从而确认存在LED电压松弛现象在外部光源关闭和LED电流注入之间发生。图19是曲线图1900，示出了利用500μsec外部光源到注入延迟的预充电效果的结果。水平标度是以伏特为单位的电压值V1，而垂直标度是接收测试LED内已成像区域的相机像素的已测量ADU(模拟到数字单位)计数。曲线1900是在没有外部光源光电流注入的情况下测得的响应。该响应遵循等式10，并且与电压注入水平呈线性关系，电压偏移1902约为
80V。这大致相当于80V×100pF＝8nC的Qjct。对于面积为1mm2的特定装置，参考等式10，这种交叉将在CEFF×ΔV＝Cinj×V’＝8nC时发生。假设在这些较低的注入条件下V’＝VF约为
2.5V，则Cinj约为3.2nF或C’inj约为320nF/cm2。高于预期电容的原因可能是较高的结电容工艺以及所使用的特定测试LED装置的互连和布线电容。

[0234] 在启用外部光源的情况下，曲线1903示出电荷偏移的明显减少。外部光源和LED电流注入之间的时序延迟的进一步减小将使响应接近零偏移曲线1904。

[0235] 进一步的优化可包括替换具有更快的关断特性、更快的光源驱动器电路的大功率LED光源，以及将相机积分降低到电注入开始延迟。当然，可有其他变化、修改和替代。

[0236] 外部光源可通过利用注入的光电流来安全地减少阶段3的放电时间，从而大大提高整体测量系统的吞吐量。作为使用图11的测试LED配置的第一实例，假设安全反向偏置漏电流为10μA/cm2或10pA，则最小安全放电时间Δt估计大于约60msec。以使用30μW/mm2的亮度和0.15A/W的响应度作为实例，有效漏电流将增加3nW×0.15A/W＝450pA。最小的第3阶段放电时间将减少到1.3msec。这会将捕获帧速率提高到每秒超过500帧(FPS)。使用图19的测试LED配置，反向漏电流测得约为20nA或2μA/cm2。有了100pF耦合电容器和600V注入电平，暗的最小第3阶段放电时间约为3秒或0.33FPS。使用外部照明注入约5μA的光电流，现在将第3阶段的放电时间减少到约12msec，从而支持超过80FPS的吞吐量测量速率。通过在阶段3期间增加外部光源吞吐量，可实现更高的吞吐量。因此，使用这种外部光感应光电流注入方法可满足大批量生产的要求。当然，可有其他变化、修改和替代。

[0237] 在又一个实施方式中，将选择外部光源以便以以下波长发射光：该波长可在被测LED中感应光电流，但是与LED发射波长范围的波长足够不同以允许光学滤波以阻止外部光源基本上被测量相机检测到。较短的波长源将倾向于通过更有效地在测试LED内感应光载流子来提高响应度。

[0238] 作为实例，可使用365nm的外部光源(例如，来自美国新泽西州牛顿的Thorlabs公司的M365LP1-C1)来激发发射更长波长的LED装置。例如，可使用诸如UV-IR阻挡滤波器和彩色滤波器的滤波器从外部光源有效过滤彩色LED装置(红色～620nm，绿色～520nm，蓝色～460nm)。例如，对于绿色LED装置测试，将UV-IR阻挡滤波器(#89-802型)和绿色滤波器(#89-
792型)安装在兼容的相机镜头上，诸如使用了#62901型0.9倍大幅面远心透镜，均可购自美国新泽西州巴灵顿市的Edmund Optics。图20A和图20B示出了这些滤波器的光透射曲线。图
20A示出了具有365nm外部光源2001和以520nm为中心的LED装置发射线2002的UV-IR阻挡滤波器2000的透射曲线。图20B示出了具有365nm外部光源2004和以520nm为中心的LED装置发射线2003的绿色带通滤波器2003的透射曲线。UV-IR阻挡滤波器和绿色带通滤波器中的每一个都会为365nm的光增加约4.5的光密度，同时允许大部分LED装置发射通过。这些滤波器和其他滤波器可单独使用，也可以以堆叠配置使用，以优化对比度和测量性能。当然，可有其他变化、修改和替代。

[0239] 可利用某些图像处理方法来提高与每个被测LED装置相对应的测量数据的准确性。传感器上的每个成像的LED装置都将成像到相机传感器阵列内的特定区域。一种图像处理方法使用来自目标图像的空间信息为测量的相机输出数据图像内的每个LED装置生成物理质心(x，y)位置。可利用相机放大倍率、光学畸变校正、图像捕获以感测和定位LED装置矩阵等，来开发并且可能校正在支撑基板上的LED装置质心位置与其在相机传感器上的对应质心位置的这种对应关系。因此，所得的质心矩阵将是每个LED装置在传感器图像内的(x，y)位置集合。例如，参考前面的实例，成像到1920×1200 数字传感器矩阵上的960×600LED装置集将具有如下的质心矩阵：

[0240] LED的质心(i，j)＝相机数据位置(x.y)其中i，j是每个测量的LED的整数(i＝1至960，j＝1至600)，而相机位置(x，y)是传感器像素区域内的浮点数(0一旦开发了这个质心矩阵，使用加权函数的图像处理方法就可获取数字化图像并开发出一组数据值，这些数据值是使用加权函数提取的，其中，对最接近物理LED质心位置成像的传感器数据赋予了更大的权重。图像处理系统可并行地并且通常以帧速率速度来完成该卷积功能。因此，LED数据值包括输出LED装置(i，j)数据值矩阵，在优选实施方式中，该数据值矩阵是使用应用于数字化相机数据的质心加权函数计算得出的。

[0241] 尽管上面描述了C2I数据图像捕获以产生输出LED装置(i，j)数据点的关键步骤，但也可应用偏移和缩放/标准化操作。例如，在没有电压波形的情况下捕获的“暗”图像将在当前图像采集参数下测量每个相机像素的暗信号。这些暗图像可与每个C2I数据捕获一起获取，作为偏移和漂移消除的一种形式。可从图像数据中减去参考，也可在使用上述质心加权函数处理完数据和参考后，得出偏移校正的LED装置(i，j)数据矩阵。缩放和标准化操作也是可能的。

[0242] 可利用应用于数字化相机输出的附加图像处理方法(与在阶段I期间成像到相机传感器上的LED装置发射的总积分光成比例)来产生指示LED装置功能的结果。此功能数据将采用矩阵形式，其中包含一个或一个以上从测量得出的值。对于位置(i，j)处的每个LED，将存在一组n个数据点Datan(i，j)＝Valuen(其中n是大于或等于1的整数)。例如，每个被测LED的多个独立的Datan(i，j)值可以是在使用不同的阶段I电压斜坡值获取的n个测量序列测量的不同电流密度值下的光输出值。每个Datan(i，j)测量数据值又可以是多个测量值的平均值，以提高信噪比。信号平均是一种众所周知的方法，其中显示随机噪声的信号的标准偏差将减小sqrt(m)，其中m是平均的测量点数。例如，如果数据点显示随机噪声标准偏差为z，则使用100个数据点的平均值得到的平均数据点的标准偏差为z/sqrt(100)或低10倍。

[0243] 一旦收集到LED装置(i，j)的数据值，就可应用阈值或一组测试标准来确定功能，也许为每个被测量的LED添加Datan(i，j)值0或1(0＝不良装置)，1＝良好装置)。例如，如果将所需的最小阈值应用于数据，则可将不发光或微弱发光的装置标记为不良设备。当然，多个阈值和应用于数据值集的其他标准或通过/失败标准也可用于功能测试、修复策略和过程良率分析(原因和校正)。仅作为实例，可将多个阈值应用于LED装置Datan(i，j)数据，以为每个LED装置生成箱号标签，以在功能上匹配LED，并根据标准或一组标准来驱动释放具有相似特性的装置的策略。随机存取激光剥离或其他单独的LED装置释放方法可基于每个(i，j)LED装置的箱标签矩阵值来汇总具有相似箱号的LED装置。这对于限制由于使用功能特性差异过大的LED装置引起的显示不均匀可能很有用。还可使用多个阈值来开发对产量和过程控制有用的统计数据。例如，应用于箱数据的标准偏差和其他统计分析可以是产量和过程稳定性的指示符。这些派生数量的突然变化可能表示过程偏移。图21示出了作为水平标度的Datan的函数的、落在垂直标度的Datan值的小范围(称为通道或箱)内的几个LED装置的直方图2100。大多数LED装置落在功能上可接受的范围2101内，而低于阈值2102或高于阈值2103的LED装置被认为是次品。LED装置装箱功能的宽度2104可用于产量和过程控制。落在相似箱2105内的LED装置可随后被聚集并且用于它们的相似功能测试结果以改善显示均匀性。

[0244] 如果根据本发明的功能测试设备对小于期望面积的图像成像并且需要步进和重复功能，则可能需要针对要测量的每个新的LED装置面积重新计算质心矩阵。但是，如果步进系统足够精确，可对准要测量的下一组LED装置，则可重用质心矩阵。当然，可有其他变化、修改和替代。

[0245] 通常，场板允许通过相对于场板固定或移动的一个或一个以上相机对包含LED装置的基板进行功能测试。测试设备成本、复杂性、目标LED装置尺寸和测试吞吐能力是选择特定配置之前必须评估的一些标准。还必须解决其他设计限制和标准，以确保测量功能符合所需规格。一种这样的设计标准是确保被测试的每个LED装置上的阶段I电压波形不会由于接触电阻和寄生电容明显失真。例如，期望用于测量更高电流密度操作的阶段I的快速电压斜坡可能会导致显著的波形失真和电压降，这是由位于场板中间的LED装置的RC低通滤波引起的。如果场板电极或公共接触电阻过高，可能会发生这种情况。在测试之前，可通过降低有效接触片的电阻率或附接较低的电阻率层来减轻这些影响。最后，大的场板将需要电力以测量重复速率对场板电容CFP进行充电和放电，并且可能会在接触层内产生电阻加热。例如，使用3μm二氧化硅介电层的6”基板场板将具有约200nF的总电容CFP。如果假设捕获2
率为16Hz，斜坡为500V，则1/2CVf功率约为0.5W。在这个建议的工作点上，即使使用完整的
6”场板配置，也会产生较小且可管理的测试功率水平。

[0246] 在其他实施方式中，外部光源可单独使用或与C2I注入结合使用，以激发LED装置以在由相机时间积分窗口时间和宽度控制的特定时间段内测量发射水平。例如，阻止相机通过较早描述的光谱过滤装置检测外部光源，可使用该外部光源的照射从而以改善的对比度和信噪比来测量LED泄漏、响应度和发射率。例如，可通过扫描从外部光源关闭时间之前到外部光源关闭时间之后的点(例如，从0到1msec)的相机积分窗口，捕获LED阵列的泄漏图。在足够高的外部光吞吐量的情况下，可根据此延迟测量每个被测LED的残留发射和衰减特性。有缺陷的LED通常会表现出明显的非辐射泄漏以及其他减少LED发光的机制。生成的图可用于生成所有测量的LED的缺陷文件，以识别在受到外部光源照射后发光能力较低的LED。可将C2I方法添加到外部光源激励中，以增加附加级别的注入，这进一步提高了对LED进行功能测试以确定功能的能力。

[0247] 可将偏移消除的信号处理使用(例如“暗图像”减法)和外部光源的使用结合起来以开发不同的测试模式。如果处理的数据是从第一测量“A”减去第二测量“B”，则数据阵列中的每个图像处理数据点将是(A-B)，以形成经偏移校正的数据阵列或图像。如果A是具有电压波形的功能图像，而B是没有电压波形的图像，则将(A-B)功能图像校正为“暗图像”偏移。在此实例中，电流注入“EL”或电致发光输入被称为处于差模(DM)。如果在A和B图像中都存在电压波形，则EL输入被称为处于“共模”或CM。在CM模式下，本质上会减去数据，并且(A-B)帧将为空图像。类似地，如果外部光源存在于A图像中而不存在于B图像中，则“PL”或光致发光偏置将处于差模或DM模式。最后，如果在A图像和B图像中都存在外部光源输入，则可说PL输入处于共模或CM模式。以此为参考，EL和PL操作模式可描述如下：

[0248] 1.EL＝DM，PL＝不发光：不使用外部光源的EL功能测试

[0249] 2.EL＝DM，PL＝CM：具有共模外部光偏置的EL功能测试

[0250] 3.EL＝无电压输入，PL＝DM：PL测试

[0251] 4.EL＝DM，PL＝DM：具有差模外部光偏置的EL功能测试其他可能的模式用途有限。例如，EL＝CM，PL＝CM将导致结果为空。

[0252] 可快速连续地测量具有或不具有光偏置的PL测试(以上3)和EL功能测试的测量模式(以上1、2或4)，并得出有关LED装置的有用信息。如果使用外部光如图19所示偏置装置，则相应的EL功能测试将为模式2(EL＝DM，PL＝CM)，而PL测试将为模式3(EL＝无电压输入，PL＝DM)。当然，可有其他变化、修改和替代。

[0253] 尽管以上是具体实施方式的完整描述，但是可使用各种修改、替代构造和等同形式。尽管已经使用选择的步骤顺序描述了以上内容，但是可使用所描述的步骤的任何元素以及其他元素的任何组合。另外，取决于实施方式，某些步骤可被组合和/或消除。此外，尽管描述和实例针对在平坦表面上的GaN LED装置，但是可使用C2I方法对包含光子发射装置的任何平坦或弯曲表面进行功能测试。例如，使用本发明可测试垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、有机LED(OLED)、硅光子装置和其他表面发射装置。另外，在另一个实例中，也可使用II-VI半导体材料和相关的装置。当然，可有其他变化、修改和替代。因此，以上描述和说明不应视为限制由所附权利要求书限定的本发明的范围。

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