LED漏電位置定位之方法 @ 地方教授Dr. Chiou半導體技術論壇

作者: 邱裕中

目前為南臺學校財團法人南臺科技大學教授，兼任光電與積體電路故障分析中心執行長，曾經任職於台積電專注於晶片良率提升與故障分析技術，對於光電半導體元件、積體電路與故障分析等相關議題有濃厚的使命與興趣。

故障分析的方法中用來定位漏電位置的方法大概可以分成三個種類分別是thermal emission、laser induced thermal effect、photo emission。 Thermal emission這種方式的原理是利用漏電處會產生局部大電流，使樣本局部產生溫度梯度，並用偵測溫差變化來定位漏電位置，這種方式因為解析度的問題，適合用在偵測物屬於大面積以及大電流的樣本，像是PCB板漏電位置定位。而laser induce thermal effect又稱為Optical Beam Induced Resistance Change (OBIRCH)，顧名思義就是利用雷射在元件表面掃描，藉由局部雷射聚焦產生的溫度梯度變化造成阻值變化，經由阻值變化的比對來定義出缺陷位置。Photo emission又稱Emission microscope(EMMI)，其原理是利用顯微鏡搭配一個光感測器來偵測缺陷所產生的特定波段的光，並將亮點位置與光學顯微鏡(Optical Microscopy，OM)影像疊加來定位漏電位置。Obirch與Emmi都適合用來偵測LED的漏電位置，在這邊我們先詳細介紹EMMI給大家。

EMMI從一般商用的CCD種類劃分又可以分為Cooled CCD、MCT、InGaAs三種，基本上差異在偵測波長的不同。在EMMI的工作原理中半導體所看到的發光有兩類分別複合形式的發光(R-PE)與電場加速造成的發光(F-PE)，前者如圖1是由導帶的電子與價帶的電洞結合而形成光子，後者如圖2是一個可移動的載子經過電場加速取得足夠動能，經由動能轉換後將能量轉成以光子的形式釋放。因為LED屬於光電元件，順偏時LED導通會產生大量光子訊號導致無法定位真實漏電位置，所以LED較適合以F-PE的形式來定位漏電位置。在逆偏時LED空間電荷區(space charge region, SCR)的電場增加，載子透過此電場加速獲得動能並在散射的過程中放出能量，波長範圍涵蓋可見光到紅外光(IR)，但是非常微弱，肉眼是看不見的。

一般在LED的漏電定位分析中，能夠利用SCR使載子加速以致發光的案例多半是屬於磊晶缺陷，然而其實以F-PE形式的方式釋放光子不一定只能依靠SCR讓載子加速獲得動能，像是如果產生局部大電流(locally high current)也能夠足以讓載子產生足夠動能進而發出光子，這種形式的漏電比較偏向製程像是側壁蝕刻不完全或是黃光條件不佳所造成。而另外如圖3是屬於Fowler-Nordheim Current型態的漏電方式也能夠讓載子獲得足夠動能，因為加高偏壓使得載子直接從金屬(metal)穿隧絕緣層(isulator)並透過電場加速獲得足夠動能，常發生在LED保護層沒做好的情況。圖4是使用EMMI定位漏電位置的實際分析情況，經由漏電位置的定位可以使用雙束聚焦離子束(dual-beam focus ion beam)搭配掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)、(energy dispersive spectrometer，EDS)等儀器來分析真正的失效原因。

雖然介紹了這麼多型態的LED漏電方式，但是實際上在分析還有許多小技巧需要注意，例如為了能夠讓LED具備足夠電場來加速載子，有些分析者會透過加大逆偏來達到這個目的，但是其實加大逆偏時的漏電流也會破壞元件，在加大逆偏的過程中有機會會產生新的漏電路徑，造成分析錯誤。而其實LED元件本身都不可能做到完美，無限制加大電場的後果一樣會在磊晶缺陷處產生漏電的訊號，但這些缺陷密度又是在可容忍的範圍內，像這種分析就沒有意義。又或者是串聯型的高壓LED樣本，其電性異常是因為其中有一顆的漏電特別大，但是在分析時並沒有將各個LED分開分析，這個會導致失效的那顆LED樣本的分壓不足，載子無法得到足夠的電場加速以至於EMMI訊號微弱，變成明明漏電很大卻找不到漏電點的窘境。而漏電太大也會導致EMMI沒辦法分析出漏電點，因為漏電大到SCR已經不存在，載子無法獲得足夠動能，類似這種樣本去分析電性都會呈現如電阻般的特性。還有種種許多小技巧無法在這一一詳述，容我們之後再做介紹。

歡迎有興趣的人一起討論~

圖4.jpg