《Micromachines》：Development of a Scalable High-Power LED-Based Inspection Platform for Correlative Photoluminescence and Electroluminescence Mapping of LED Chips
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在本研究中，研究人员开发了一种测量平台，采用高功率LED作为激发光源，并结合电荷耦合器件（CCD）对商用LED芯片进行空间分辨的光致发光（PL）和电致发光（EL）映射。设计了两种光学配置（即正入射和斜入射），以直接比较PL和EL分布。与传统基于激光的系统不同，
在本研究中，研究人员开发了一种测量平台，采用高功率LED作为激发光源，并结合电荷耦合器件（CCD）对商用LED芯片进行空间分辨的光致发光（PL）和电致发光（EL）映射。设计了两种光学配置（即正入射和斜入射），以直接比较PL和EL分布。与传统基于激光的系统不同，高功率LED提供了一种经济高效、紧凑且可扩展的PL映射解决方案，并具有宽照明面积，使其非常适合快速芯片级检测，并具有未来晶圆级扩展的巨大潜力。在高功率LED激发下获得的PL光谱与EL光谱表现出强烈的对应关系。空间映射揭示了关键的发射特征，如金属接触、缺陷相关点和表面污染。斜向收集几何结构相对于正向收集几何结构产生了更强的PL信号和更清晰的局部发射变化。这些发现表明，基于高功率LED的PL映射代表了EL的一种实用且非侵入性的替代方法，为LED芯片在研究及工业应用中的光学检测提供了一条可靠且可扩展的途径。
**论文解读：基于高功率LED激发的PL-EL关联映射平台用于LED芯片无损光学检测**
**一、研究背景与意义**
氮化镓（GaN）基发光二极管（LED）因其高效率和工作寿命长，已被广泛应用于固态照明、显示和光电器件领域。然而，LED芯片内部的点缺陷、V型坑和铟聚集等结构问题会显著影响载流子复合过程和发光效率。传统的表征技术，如X射线衍射、透射电子显微镜和扫描电子显微镜，虽然能够有效研究晶体缺陷和结构特征，但这些方法往往具有破坏性、耗时且成本高昂，不适用于快速或大规模晶圆检测。光致发光（PL）作为一种快速、非接触且无损的替代技术，可在电极制造前直接对外延晶圆进行检测，能够以高灵敏度探测复合路径并评估载流子寿命。值得注意的是，PL不受微LED小电极尺寸或晶圆脆弱性的限制，为工业生产中的晶圆级检测提供了可扩展方案。此外，PL与电致发光（EL）之间的相关性研究表明，PL能够预测电学特性，从而将光学检测与器件级性能评估联系起来。
PL映射作为传统PL技术的强大扩展，能够在大面积上实现发光特性的空间分辨可视化，揭示InGaN基结构中的局部非辐射缺陷、载流子泄漏路径和铟组分波动。然而，传统PL测量通常依赖激光激发，因其具有窄谱线宽度和高强度。激光扫描PL系统虽然能提供亚微米空间分辨率和局部激发密度，但存在因逐点光栅扫描导致的通量受限问题，每个芯片通常需要数分钟。相比之下，高功率LED作为激发光源具有体积小、成本低和照明面积大的优势，特别适合与CCD检测结合进行宽场PL映射。目前，大多数已报道的LED激发PL系统主要聚焦于发光检测或缺陷可视化，而对光致发光与电致发光分布之间的定量空间关联关注相对有限。此外，不同PL收集几何结构的系统比较也鲜有报道。
**二、研究内容与技术方法**
研究人员开发了一个基于高功率LED激发的PL-EL关联映射平台，用于研究商用LED芯片中光学与电学产生发光的空间关联。该平台设计了两种互补的收集几何结构，即正向收集和斜向收集配置，以系统评估光学收集架构对PL-EL对应关系的影响。研究采用了波长选择性激发、长通滤波、空间分辨PL映射和逐像素定量R2分析相结合的方法。研究人员选用了峰值波长为375、408和530 nm的高功率LED分别作为蓝光（450 nm）、绿光（535 nm）和红光（659 nm）芯片的激发光源，每个激发LED工作在2 W电输入功率下。在两种光学配置中，均采用IDSU3.3800CP-M-GL Rev.2相机搭配OPT-10M10-65A-1C机器视觉镜头实现高分辨率检测，该系统可提供2044万像素（5120×2160像素）的总分辨率，像素间距为2.4 μm。光谱测量采用耦合到小型光谱仪（SM445）的光纤进行，而空间强度映射则通过CCD相机实现。研究人员选取了分别来自不同制造商的蓝光、绿光和红光三种商用LED芯片作为测试样品，每个芯片尺寸约为1000 μm×1000 μm，安装在表面贴装器件（SMD）封装上，实验期间未施加封装材料以确保测量准确性。
**三、研究结果**
**3.1 PL与EL光谱对应性分析**：研究人员通过测量三种LED芯片在高功率LED激发下的PL光谱和0.15 A注入电流下的EL光谱，发现PL光谱与EL光谱在峰位和发射轮廓上表现出强烈对应关系。蓝光芯片的PL光谱显示约450 nm的主峰和约570 nm的宽弱带，后者归因于GaN基材料中常见的黄光发射。绿光芯片在540 nm附近呈现明显发射峰，与EL光谱基本一致。红光芯片在660 nm附近展现显著发射带，与EL响应高度吻合，表明有源区内的高效辐射复合。
**3.2 蓝光LED芯片空间映射**：在正向收集几何条件下，蓝光芯片的EL分布呈现相对均匀的发射和局部变化，金属接触区域清晰可见为非发光暗区，并存在可能由灰尘污染引起的暗点。对应PL映射以高保真度再现了这些特征。在斜向收集条件下，PL映射在捕获相同特征的同时表现出显著更高的强度，这归因于光学损耗的降低。
**3.3 绿光LED芯片空间映射**：绿光芯片的EL分布呈现均匀发射轮廓和局部波动，伴随微弱缺陷相关点，金属接触清晰可辨。PL映射良好再现了这些发射特征，但正向光路中的衰减降低了映射强度。斜向收集几何下的PL映射显示出更强的强度和更清晰的局部特征再现。
**3.4 红光LED芯片空间映射**：红光芯片的EL映射显示芯片表面强发射并伴有明显亮暗区域，反映辐射效率的局部变化。对应PL分布紧密跟随这些模式。斜向收集条件下，PL映射不仅忠实再现了EL特征，还展现出显著高于正向分布的强度，改善了对发射不均匀性的清晰度。
**3.5 逐像素关联分析**：研究人员采用线性相关系数（R2）对每个LED芯片在两种收集几何下进行了逐像素关联分析。结果显示，蓝光芯片的R2从正向入射的0.87提高到斜向入射的0.97；绿光芯片的R2从0.85提高到0.90；红光芯片表现出最强的关联性，正向入射为0.97，斜向入射达到0.99。斜向收集几何在所有情况下均获得更高的R2值，证实了角度激发能提高PL相对于EL的保真度。红光芯片表现出的最高关联性主要归因于其较长的发射波长（约650-670 nm）经历较低的光学自吸收和界面散射，保持了更高的空间对比度和梯度保真度。
**四、讨论与结论**
研究人员指出，斜向收集几何的优越性能归因于光路中的光学损耗降低和杂散光抑制。正向收集几何中的分束器对入射激发光和发射的PL信号均造成反复衰减（T=25%，对应75%的功率损耗），降低了CCD收集的PL强度和图像对比度。此外，正向收集几何共用同轴光路，易受电极结构和封装表面的镜面反射和散射激发光影响。相比之下，斜向收集几何在空间上解耦了激发和收集路径，有效将镜面反射引导离开收集孔径，降低了杂散光噪声。该平台在2.4 μm像素间距下展现出高空间灵敏度，能够检测微米级的内在非均匀性。重复测量结果表明该平台具有良好的可重复性和稳定性。
研究结论指出，该基于LED的PL映射平台代表了非侵入性、低复杂度且与工业相关的表征方法，弥合了光学与电学检测之间的鸿沟，为LED芯片和相关光电器件的快速质量筛选、过程监测和初步空间性能评估提供了有前景的途径。虽然当前平台在缺陷和非均匀性筛选方面展示了PL与EL分布之间的强空间对应关系，但将空间积分PL强度与绝对EL辐射输出或效率进行定量校准，仍需在更大且统计代表性更强的芯片样本集上进行未来研究。
