WO2025003073A1 - Procédé et système de caractérisation d'un dispositif optoélectronique - Google Patents

Procédé et système de caractérisation d'un dispositif optoélectronique Download PDF

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WO2025003073A1
WO2025003073A1 PCT/EP2024/067678 EP2024067678W WO2025003073A1 WO 2025003073 A1 WO2025003073 A1 WO 2025003073A1 EP 2024067678 W EP2024067678 W EP 2024067678W WO 2025003073 A1 WO2025003073 A1 WO 2025003073A1
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delay
curve
images
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Matthieu CHARBONNIER
Mehdi DAANOUNE
Vladimir Faifer
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Aledia
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    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/062—LED's

Definitions

  • the present invention relates to the field of technologies for microelectronics and optoelectronics. It finds a particularly advantageous application in the contactless control of optoelectronic devices, for example GaN-based micro-light-emitting diodes.
  • a self-emissive display screen comprising pixels emitting their own light
  • a plurality of optoelectronic devices of the LED (light emitting diode) or microLED or OLED (organic LED) type are required. These optoelectronic devices are first at least partly formed collectively on substrates, typically in the form of wafers, then the devices are generally assembled individually, typically on a screen support, to manufacture the final system, typically the self-emissive display screen.
  • a non-destructive testing method which can be easily implemented at different stages of the manufacturing process, is a substantial challenge for the industrial manufacturing of systems comprising a plurality of LED-type optoelectronic devices.
  • US9823198B2 discloses a solution consisting of illuminating an LED array and measuring a luminescence response of this LED array, via a photodiode. The characteristics of the luminescence response, in particular in the transient part of the luminescence response, are interpreted to determine a junction photovoltage and an internal quantum efficiency in particular.
  • this solution does not allow individual characterization of microLEDs. Nor does this solution allow precise determination of the contributions of photoluminescence and electroluminescence to the luminescence response of the LED array.
  • the present invention aims to at least partially overcome the drawbacks of the solutions mentioned above.
  • an object of the present invention is to provide a method for characterizing a set of electroluminescent devices, having improved precision and resolution.
  • Another object of the present invention is to provide a system for characterizing a set of electroluminescent devices, making it possible to implement the characterization method.
  • one aspect relates to a method of characterizing a set of electroluminescent devices arranged in a matrix on a substrate, said method comprising:
  • Luminescence essentially integrates two contributions: a contribution due to photoluminescence and a contribution due to electroluminescence.
  • the phenomenon of photoluminescence corresponds to a simple absorption-re-emission of photons, for example directly in a quantum well. The photons coming from the illumination are absorbed by the device, which then presents an excited state. During de-excitation, the device will re-emit photons, typically of lower energy. This absorption-re-emission of photons occurs almost instantaneously, without delay (the re-emission delay which corresponds to the radiative lifetime is typically less than a nanosecond).
  • the phenomenon of electroluminescence corresponds to an emission of photons by recombination of charge carriers (electrons-holes).
  • electroluminescent devices are based on this phenomenon of electroluminescence.
  • the electroluminescent device here typically behaves like a capacitor: during illumination, charge carriers are generated and stored in the energy bands until there are enough carriers to cross the potential barrier separating the energy bands.
  • This accumulation of carriers under illumination corresponds to a transient regime of the electroluminescent device.
  • the electroluminescence delay corresponds to the end of this transient regime of carrier accumulation (the electroluminescence delay is significantly greater than the radiative lifetime mentioned above, typically of the order of a microsecond).
  • the electroluminescence delay When the accumulated carriers cross the potential barrier, they recombine with each other, producing photons.
  • the precise determination of the electroluminescence delay therefore makes it possible to access the contribution of electroluminescence in the luminescence phenomenon.
  • said method comprises:
  • the luminescence curve is reconstructed from the data of the series of luminescence images acquired successively.
  • a point of the luminescence curve corresponds to the same pixel or to the same group of pixels of an image of the series of images.
  • the luminescence curve therefore advantageously comes from the same area. localized on the images.
  • a plurality of luminescence curves is thus extracted from the series of luminescence images.
  • the characterization method is thus resolved spatially and temporally. This makes it possible to distinctly characterize several devices of the set of electroluminescent devices on the same substrate, via their luminescence curve.
  • the spatial resolution of the luminescence images of the series of images makes it possible to individually distinguish each electroluminescent device on the substrate. The method thus makes it possible to obtain a luminescence curve for each electroluminescent device.
  • the luminescence curve integrates both contributions due to photoluminescence and electroluminescence.
  • the precise determination of the electroluminescence delay allows access to the electroluminescence contribution in the luminescence curve.
  • this determination is made by deriving the luminescence curve.
  • the derived luminescence curve makes it possible to precisely determine the electroluminescence delay from which the electroluminescence device actually produces electroluminescence.
  • the derived luminescence curve has substantially a single peak and the electroluminescence delay corresponds to the maximum of this peak.
  • the derived luminescence curve has two peaks and the electroluminescence delay corresponds to the interval between these two peaks.
  • the photoluminescence and electroluminescence contributions can be separated.
  • the external quantum efficiency can be advantageously estimated accurately and reproducibly from the electroluminescence delay, for each electroluminescent device.
  • the at least one parameter representative of the electroluminescence delay corresponds to a set of statistical parameters resulting from a dimensional reduction of the luminescence curve. This set of statistical parameters can then be used to determine the external quantum efficiency of each electroluminescent device.
  • Another aspect relates to a system for characterizing a set of electroluminescent devices arranged in a matrix on a substrate, said system comprising:
  • a light source configured to generate charge carriers in the electroluminescent devices
  • a sensor configured to capture radiation emitted by recombination of charge carriers generated in electroluminescent devices
  • controller configured to control an illumination of the light source, and to acquire a series of luminescence images by the sensor
  • processing module configured for:
  • a luminescence curve as a function of time from the series of luminescence images and for a given electroluminescent device of the set of electroluminescent devices, and for • determine from the luminescence curve at least one parameter representative of an electroluminescence delay, said electroluminescence delay corresponding substantially to the start of an emission of radiation by electroluminescence of the given electroluminescent device.
  • Such a system advantageously makes it possible to implement the characterization method described above.
  • Figure 1A illustrates an excitation signal and a first luminescence curve in response to this excitation signal, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 1B schematically illustrates a band diagram corresponding to the first luminescence curve shown in Figure 1A.
  • Figure 2A illustrates an excitation signal and a second luminescence curve in response to this excitation signal, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2B schematically illustrates a band diagram corresponding to the second luminescence curve shown in Figure 2A.
  • Figure 3 illustrates an excitation signal, a luminescence curve in response to this excitation signal, a curve derived from the luminescence curve, and a photovoltage curve, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 illustrates a staircase excitation signal, a luminescence curve in response to this excitation signal, and a curve derived from the luminescence curve, according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 5 illustrates a comparison of luminescence curves after correction for the photoluminescence contribution, according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 6A illustrates different luminescence curves obtained experimentally, for different concentrations of magnesium, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6B illustrates different luminescence curves obtained by simulation, for different concentrations of donor traps, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7A schematically illustrates a characterization system, according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 7B schematically illustrates a characterization system, according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 7C schematically illustrates a characterization system, according to a third embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8A, 8B, 8C illustrate a series of luminescence images acquired successively on a set of microLEDs, according to an embodiment of the present invention.
  • the drawings are given as examples and are not limiting of the invention. They constitute schematic representations of principle intended to facilitate the understanding of the invention and are not necessarily to the scale of practical applications.
  • the invention according to its first aspect notably comprises the following optional characteristics which can be used in combination or alternatively:
  • the method further comprises determining, from the series of luminescence images and for a given electroluminescent device of the set of electroluminescent devices, a plurality of representative luminescence values as a function of time, the determination of the at least one parameter representative of an electroluminescence delay being performed from said plurality of representative luminescence values as a function of time.
  • These representative luminescence values correspond for example to photovoltage values.
  • determining the at least one parameter representative of the electroluminescence delay comprises deriving the luminescence curve so as to obtain a derived luminescence curve, the at least one parameter representative of the electroluminescence delay being an interval AT between a time origin and a characteristic time corresponding to a maximum of said derived luminescence curve.
  • the method further comprises, after determining the at least one parameter representative of the electroluminescence delay, a calculation of external quantum efficiency EQE according to:
  • LEL is a contribution of electroluminescence to a total luminescence, and AT the interval representing the electroluminescence delay.
  • the at least one illumination is in the form of a staircase signal comprising two steps.
  • the staircase signal makes it possible to conserve a charge in the electroluminescent device.
  • the at least one illumination is in the form of a pulsed signal.
  • the pulsed signal typically comprises at least two peaks sufficiently close together to conserve a charge in the electroluminescent device. Conserving a charge in the device makes it possible to overcome a measurement bias linked to an initiation of the charge in the device. The measurement of the electroluminescence delay is more reliable. The precision on the measurement of the electroluminescence delay is improved.
  • the derived luminescence curve has at least a first peak and a second successive peak, the time origin being taken at the first peak and the characteristic time being taken at the second peak to determine the AT interval.
  • the AT interval corresponds to the interval between the first and second peaks.
  • the first peak of the derived luminescence curve is typically linked to the first step of the illumination staircase signal, or to a first peak of the pulsed illumination signal.
  • the second peak of the derived luminescence curve luminescence derivative is typically related to the second step of the illumination staircase signal, or to a second peak of the illumination pulsed signal.
  • the determination of the at least one parameter representative of the electroluminescence delay comprises a dimensionality reduction of the luminescence curve, for example by a first algorithm, configured to generate a set of statistical parameters making it possible to retain at least 90%, preferably at least 95%, and preferably at least 99% of the variance of the luminescence curve.
  • This type of processing can advantageously be carried out by machine learning.
  • the set of statistical parameters resulting from this processing has correlations with the electroluminescence delay, and in particular with a time derivative of the electroluminescence delay. A Pearson correlation of the order of 86% can for example be obtained between certain parameters of the set of statistical parameters and the time derivative of the electroluminescence delay.
  • the method further comprises a calculation of external quantum efficiency EQE from the set of statistical parameters, by a second algorithm typically based on machine learning.
  • the at least one acquisition is configured such that said images of the series of images have:
  • the at least one acquisition is configured such that the series of luminescence images comprises at least five luminescence images during the transient emission phase of the electroluminescent devices.
  • the at least one acquisition of the series of luminescence images is performed with an acquisition time less than or equal to 500 ns for each image of the series of luminescence images.
  • luminescence images have a spatial resolution of less than or equal to one micrometer.
  • the at least one illumination comprises a plurality of illumination pulses.
  • the at least one acquisition comprises a plurality of series of luminescence images, said series being synchronized with respect to the illumination pulses. This makes it possible to ultimately obtain a derived luminescence curve having several peaks corresponding to the different illumination pulses.
  • the electroluminescence delay can be taken between two consecutive peaks of the derived luminescence curve. The measurement of the electroluminescence delay is thus done in a relative manner. This makes it possible to avoid possible measurement system delays, for example due to signal transmission lines. This avoids possible measurement biases due to residual charges of the devices.
  • the measurement of the electroluminescence delay is more reliable. The accuracy of the electroluminescence delay measurement is improved.
  • the at least one illumination comprises a plurality of illumination pulses.
  • the at least one acquisition of a series of images comprises the acquisition of a luminescence image associated with each pulse of the plurality of illumination pulses.
  • At least one, or where appropriate each acquisition is carried out after a series of two consecutive illumination pulses.
  • the at least one illumination comprises a plurality of illumination pulses
  • tO is the start of an illumination pulse of the plurality of illumination pulses, with 50 ns ⁇ 5t ⁇ 500 ns, for i varying from 1 to n.
  • the illumination pulses are typically identical to each other. This makes it possible to acquire a series of images having different time intervals with respect to the time tO corresponding to a start of an illumination pulse. This makes it possible to virtually reconstruct an acquisition frequency that is high enough to obtain a plurality of images during the transient emission phase of the electroluminescent devices.
  • each acquisition is performed after a series of two consecutive illumination pulses.
  • the first pulse of this series allows the electroluminescent device to be charged and discharged properly. This allows any residual charges in the device to be evacuated. This allows an initial charge state to be controlled in a reproducible manner.
  • This first pulse corresponds to a conditioning pulse, performed without acquisition.
  • the second pulse of this series is the one from which the image acquisition is performed. This avoids any measurement biases linked to residual charges of the devices.
  • the measurement of the electroluminescence delay is more reliable. The precision of the measurement of the electroluminescence delay is improved.
  • the illumination comprises two initial pulses of the same power followed by a plurality of pulses of increasing power.
  • - at least one illumination is in the form of a first staircase signal comprising two steps
  • the derived luminescence curve has two peaks corresponding to the two steps of the luminescence curve, the determination of the electroluminescence delay is made between the two peaks of the derived luminescence curve.
  • the measurement of the electroluminescence delay is also done in a relative manner. This makes it possible to avoid possible delays linked to the measurement system, for example due to signal transmission lines. This avoids possible measurement biases linked to residual charges of the devices.
  • the measurement of the electroluminescence delay is more reliable. The precision of the measurement of the electroluminescence delay is improved.
  • the portion of the luminescence curve before the electroluminescence delay is identified as a photoluminescence contribution
  • the portion of the luminescence curve after the electroluminescence delay is identified as a sum of an electroluminescence contribution and the photoluminescence contribution.
  • the method further includes, after determining the electroluminescence delay, subtracting the photoluminescence contribution from the luminescence curve of the given electroluminescent device. This allows the electroluminescence performances of different electroluminescent devices to be compared and ranked with each other, without bias due to photoluminescence.
  • the external quantum efficiency is calculated as the product of the electroluminescence contribution and the electroluminescence delay.
  • the senor has a pixel size smaller than a characteristic dimension of light-emitting devices. In one example, the sensor has a spatial resolution less than or equal to one micrometer.
  • the senor has a time resolution of less than or equal to 500 ns.
  • the light source is pulsed.
  • the controller is configured to synchronize acquisition of series of luminescence images by the sensor with illumination pulses from the pulsed light source.
  • system further includes a tracking device configured to track a drift over time in illumination by the light source.
  • controller is configured to compensate for or account for said drift.
  • the system further includes a photodiode configured to acquire an average luminescence signal emitted by all of the light emitting devices, which is not spatially resolved, said photodiode having a temporal resolution of the order of nanoseconds.
  • the average luminescence signal acquired over all of the light emitting devices makes it possible to increase the signal-to-noise ratio and to improve the accuracy of the measurement of the intensity, the delay and the average EQE.
  • the system further comprises a module for measuring photo-induced voltage in the electroluminescent devices, the set of electroluminescent devices comprising first electrodes, and said module comprising second electrodes configured to form a capacitive coupling with the first electrodes, so as to measure a photo-induced voltage in the electroluminescent devices.
  • a module for measuring photo-induced voltage in the electroluminescent devices the set of electroluminescent devices comprising first electrodes, and said module comprising second electrodes configured to form a capacitive coupling with the first electrodes, so as to measure a photo-induced voltage in the electroluminescent devices.
  • the photoinduced voltage is estimated to be 1 / .
  • a luminescence quality criterion is assigned to electroluminescent devices based on the electroluminescence delay. For example, for a set of electroluminescent devices, electroluminescent devices having a electroluminescence delay greater than or equal to 70% of the maximum electroluminescence delay are considered functional. The other devices may be sorted and/or rejected. This provides a subset of electroluminescent devices having good performance homogeneity around a nominal performance.
  • the maximum electroluminescence delay is the highest electroluminescence delay that has been determined among the electroluminescent devices in the set of electroluminescent devices.
  • the method is in particular dedicated to the contactless characterization of electroluminescent devices, in particular devices of micrometric dimensions such as light-emitting diodes (LEDs).
  • LEDs light-emitting diodes
  • the individual LEDs or microLEDs typically have dimensions, in projection in a base plane xy, for example between 2.5 pm X 2.5 pm and 50 pm X 50 pm.
  • the invention can be implemented more broadly for different optoelectronic devices.
  • the invention can for example be implemented in the context of laser devices.
  • step does not necessarily mean that the actions carried out during a step are simultaneous or immediately successive. Certain actions of a first step may in particular be followed by actions linked to a different step, and other actions of the first step may be repeated subsequently. Thus, the term step does not necessarily mean unitary and inseparable actions in time and in the sequence of the phases of the process.
  • LED light emitting diode
  • LED simply “diode”
  • An “LED” may also be understood to mean of a “micro-LED” or even an LED associated with its own control electronics (smart LED), if applicable.
  • the luminescence curve may correspond to a luminous flux or power, or even an emission intensity of the device or a set of devices, as a function of time.
  • Figure 1A illustrates an excitation curve 10 corresponding to the illumination of a first electroluminescent device, and a first luminescence curve 20 corresponding to the response of this first device to the illumination.
  • the curves 10, 20 are a function of time and are superimposed according to a standardized luminous flux scale, so as to compare them.
  • the excitation curve 10 is in the form of a square wave or a staircase step.
  • the illumination reaches its maximum luminous flux without delay, it is almost instantaneous. The moment to when the illumination begins can be precisely determined without difficulty on this excitation curve 10 in square wave, to within 10 -7 s.
  • the first luminescence curve 20 has a first part during which the luminous flux is almost zero, a second part where the luminous flux increases progressively, and a third part where the luminous flux stabilizes around a nominal value.
  • the first part corresponds to a phase of accumulation of the photo-generated carriers in the conduction and valence bands; the second part corresponds to a transient regime phase where the accumulated carriers begin to recombine by emitting photons; the third part corresponds to a steady-state phase where the carriers recombine by emitting photons.
  • Such a luminescence curve 20 typically corresponds to an electroluminescence phenomenon of the first device.
  • Figure 1B illustrates a band diagram schematically corresponding to the electroluminescence phenomenon described with reference to Figure 1A.
  • an electroluminescent device comprising a P-N junction between a P-type region and an N-type region, the Fermi levels EF of these regions align and a curvature of the conduction bands BC and valence bands BV is observed at the junction.
  • a quantum well is here represented in the middle of the junction.
  • Figure 2A illustrates an excitation curve 10 corresponding to the illumination of a second electroluminescent device, and a second luminescence curve 20 corresponding to the response of this second device to the illumination.
  • the curves 10, 20 are a function of time and are superimposed according to a standardized luminous flux scale, so as to compare them.
  • the excitation curve 10 is in the form of a notch or a staircase step.
  • the illumination reaches its maximum luminous flux without delay, it is almost instantaneous, at to.
  • the second luminescence curve 20 has substantially the same shape as the excitation curve 10.
  • the luminescence reaches its maximum luminous flux without delay, it is almost instantaneous, at to.
  • Such a luminescence curve 20 typically corresponds to a single photoluminescence phenomenon of the second device (no electroluminescence phenomenon).
  • Figure 2B illustrates a band diagram schematically corresponding to the photoluminescence phenomenon described with reference to Figure 2A.
  • the Fermi levels EF of the P-type and N-type regions align and a curvature of the conduction bands BC and valence bands BV is observed at the junction.
  • a quantum well is here represented at the edge of the junction.
  • the conduction band is instantly filled and the - electrons can pass through the quantum well to recombine with the + holes of the valence band without delay, which produces photoluminescence.
  • the quantum well is poorly positioned with respect to the junction.
  • the electroluminescence phenomenon does not take place. Such an electroluminescent device is therefore not functional.
  • the time at which luminescence appears can be used to characterize functional and non-functional electroluminescent devices.
  • One challenge is to precisely determine the electroluminescence time specific to each electroluminescent device.
  • Figure 3 illustrates a preferred possibility for determining the electroluminescence delay.
  • the excitation curves 10 and luminescence curves 20 are superimposed. The instant to corresponds to the start of illumination.
  • the luminescence curve 20 is obtained by simulation on an electroluminescent device to be characterized.
  • Curve 30 corresponds to a photo-induced voltage curve obtained by simulation on an ideal electroluminescent device, of the same type as that to be characterized.
  • the photo-induced voltage curve 30 has three parts. The first part where the voltage is almost zero typically corresponds to the accumulation of carriers at the bottom of the conduction band: the electric field remains zero at the junction.
  • the transition between the second part and the third part of the photo-induced voltage curve 30 corresponds to the beginning of electroluminescence, when the electrons discharged into the quantum well recombine with the holes of the valence band. The interval between the instant to and the moment of this transition therefore corresponds to the electroluminescence delay .
  • the moment of this transition corresponds to the top of the peak of the derived curve 21 of the luminescence curve 20.
  • a derivation is carried out with respect to the time of the luminescence curve 20 to obtain the derived luminescence curve 21.
  • the electroluminescence delay is determined from this derived luminescence curve 21, as the interval between the instant to and the top of the peak of the derived luminescence curve 21 .
  • Figure 4 illustrates a second possibility for determining the electroluminescence delay.
  • the excitation curve 10 is in the form of a staircase signal comprising two steps.
  • the luminescence curve 20 is also in the form of a staircase comprising two steps M1, M2.
  • the steps of the signal of the excitation curve 10 are preferably configured such that the steps M1, M2 of the luminescence curve 20 are of different width and/or height.
  • the illumination is configured such that the first step M1 is relatively smaller than the second step M2.
  • the first step M1 typically corresponds to the initiation of a charge state in the electroluminescent device.
  • the second step M2 typically corresponds to the electroluminescence phenomenon of the device.
  • the derived luminescence curve 21 has two peaks P1, P2 corresponding respectively to the two steps M1, M2 of the luminescence curve 20.
  • the determination of the electroluminescence delay is done here between the peaks of the two peaks P1, P2 of the derived luminescence curve 21.
  • the determination of the electroluminescence delay is done here in a relative manner. This makes it possible to avoid possible delays linked to the illumination and/or measurement system, for example linked to losses in the transmission lines.
  • This also makes it possible to control the state of the electroluminescent device during the measurement. In particular, it is ensured that the electroluminescent device operates between two controlled charge states. The residual charges are neutralized. This makes it possible to avoid possible measurement biases.
  • the measurement of the electroluminescence delay is more reliable and more precise.
  • the illumination is pulsed
  • the excitation curve 10 is in the form of square waves.
  • the luminescence curve 20 can also be in the form of square waves.
  • the derived luminescence curve 21 then has a plurality of peaks.
  • the determination of the electroluminescence delay can also be done relatively in this case.
  • the duration and/or intensity of the square waves of the excitation curve can vary.
  • Figure 5 illustrates a comparison of luminescence curves as a function of the photoinduced voltage Vpv, after correction for the photoluminescence contribution.
  • the photo-induced voltage is related to the ability of the electroluminescent device to store a charge Q over time.
  • the device is thus similar to a charge reservoir. The larger the reservoir, the longer the time required to fill the reservoir.
  • the photo-induced voltage Vpv is therefore inversely proportional to the time required to fill.
  • the value of the voltage Vbi from which the electroluminescence appears i.e. when the reservoir overflows, by analogy
  • the voltage value Vbi only photoluminescence contributes to the luminescence of the device.
  • electroluminescence contributes, in addition to photoluminescence, to the luminescence of the device.
  • curve 20a corresponds to a luminescence curve of a first device before correction of the photoluminescence contribution.
  • Curve 20a* corresponds to the luminescence curve of the first device after correction of the photoluminescence contribution.
  • Curve 20b corresponds to a luminescence curve of a second device before correction of the photoluminescence contribution.
  • Curve 20b* corresponds to the luminescence curve of the second device after correction of the photoluminescence contribution.
  • Curves 20b, 20b* are substantially superimposed because curve 20b does not have a photoluminescence contribution. Before correction, based on the total luminescence of the devices, the first device appears to perform better than the second device.
  • the characterization method comprises a step of correcting the luminescence curves by subtracting the photoluminescence contribution. This makes it possible to evaluate the electroluminescence performances of the electroluminescent devices.
  • the electroluminescent devices can be classified and/or sorted according to their electroluminescence performances.
  • L is the total luminescence
  • LEL is the electroluminescence contribution
  • LPL is the photoluminescence contribution
  • I is an electric current in the device
  • V is an electric voltage in the device
  • Vbi is the photo-induced electroluminescence voltage
  • electroluminescence delay is the electroluminescence delay
  • the EQE is calculated directly by the product between the electroluminescence flux and the electroluminescence delay. Since the method indicated for the determination of the electroluminescence delay is reliable and accurate, the calculation of the EQE is also reliable and accurate, especially for the purpose of ranking the relative performances of different electroluminescent devices.
  • the derived luminescence curve 21 can also be advantageously used to obtain further information on the device to be characterized. In the following, a single illumination is implemented. The expected derived luminescence curve should therefore exhibit a single peak.
  • Figure 6A shows different derived luminescence curves 21 a, 21 b, 21 c, 21 d, 21 e, 21 f obtained experimentally for different GaN-based electroluminescent devices having a variable magnesium Mg concentration. The magnesium Mg concentration increases here progressively between curve 21 a and curve 21 f.
  • the derived luminescence curves 21 a, 21 b, 21 c, 21 d, 21 e, 21 f surprisingly show two peaks.
  • magnesium typically compensates for donor traps of type (Vca - O) 2- or more generally an oxygen impurity. By increasing the magnesium Mg concentration, the concentration of donor traps decreases.
  • Figure 6B shows different derived luminescence curves 21 as, 21 bs, 21 es, 21 ds, obtained by simulation for different electroluminescent devices with a variable donor trap concentration.
  • the donor trap concentration gradually decreases between the 21 as curve and the 21 ds curve.
  • the behavior of the different peaks of the simulated curves 21 as, 21 bs, 21 es, 21 ds is similar to the behavior observed for the peaks of the experimental curves 21 a, 21 b, 21 c, 21 d, 21 e, 21 f. This tends to confirm that the first peak is in this case linked to the donor trap concentration of the device.
  • the use of the derived luminescence curves can thus provide qualitative information on a significant or non-significant donor trap concentration in the device. These luminescence-derived curves can provide information on other characteristics of the devices, for example on residual doping of the device.
  • the wafers (as substrates) to be inspected by luminescence comprise more or less dense sets of electroluminescent devices. It is therefore desirable that the characterization method allows the extraction of the luminescence curves for each individual device.
  • a global characterization is not suitable.
  • a local characterization by mapping the different devices is long and can be confronted with drift problems.
  • a local characterization of the different devices by spatially and temporally resolved imaging has been developed. The luminescence curves are reconstructed from a series of successive images of the same area of the wafer, by extracting the luminescence values of the same pixel or the same group of pixels from each image.
  • FIGS 7 A, 7B, 7C schematically illustrate different embodiments of a characterization system for implementing the characterization method by spatially and temporally resolved luminescence imaging.
  • a high spatial resolution (submicron) camera is integrated into the system.
  • This camera is a fast camera for acquiring images with a very short acquisition time (less than 500ns) and a precise exposure delay ( ⁇ 10ns offset).
  • the camera makes it possible to acquire images with a high frequency (from 2 to 30 images in one microsecond) from the start of the illumination. This makes it possible to acquire after a single illumination pulse a series of several images during the transient emission phase of electroluminescent devices.
  • each image in the series of images is acquired after different identical illumination pulses, at different time intervals from the start of the illumination pulse used to trigger the acquisition. For example, a first image is acquired at tO + ôt after a first illumination pulse. Then a second image is acquired at tO + 2.ôt after a second illumination pulse identical to the first illumination pulse. Then a third image is acquired at tO + 3.ôt after a third illumination pulse identical to the first and second illumination pulses. This sequence is continued until the acquisition of an n-th image at tO + n.
  • Supplemental illumination pulses between the illumination pulses used to trigger image acquisitions, can be performed so as to condition a charge/discharge state of the electroluminescent devices for example. These intermediate pulses can have light powers different from the illumination pulses used to trigger acquisitions.
  • the system illustrated in Figure 7A preferably comprises:
  • the light source 1 configured to illuminate the electroluminescent devices of the wafer 2, by generating charge carriers in these devices.
  • the light source 1 can be pulsed,
  • This sensor 3 is typically a camera having a spatial resolution less than or equal to 1 pm, with an acquisition time less than or equal to 500 ns,
  • controller 4 configured to control the illumination of the wafer 2 and the acquisition of the luminescence images.
  • the system comprises or is connected to a processing module configured to reconstruct luminescence curves as a function of time from the series of luminescence images, typically from a series of pixels from the series of images.
  • the processing module may be configured to calculate curves derived from the luminescence curves.
  • the system may also include optical elements, such as a dichroic mirror 5, an objective 6 and one or more lenses 7.
  • optical elements such as a dichroic mirror 5, an objective 6 and one or more lenses 7.
  • the system may also include a synchronization module 8 between the light source 1 and the sensor 3, so as to synchronize the illumination and the acquisition of the images.
  • the system illustrated in FIG. 7B further comprises a tracking device or module 9 configured to track over time the characteristics of the illumination by the light source 1.
  • This tracking module 9 may further comprise a photodiode 90 for improving the temporal detection of the start of illumination.
  • the tracking module 9 may also comprise a light power measuring device 91 configured to track the fluctuations of the light source 1. This makes it possible to track any drift over time of the illumination characteristics. Controller 4 can be configured to compensate for or take into account this drift.
  • the system illustrated in FIG. 7C further comprises an average luminescence detection of the wafer 2.
  • This detection implements a beam splitter 92 and a photodiode 93 having a time resolution of the order of a nanosecond.
  • the photodiode 93 is typically configured to acquire an average luminescence signal emitted by all of the electroluminescent devices, not spatially resolved.
  • the photodiode 93 is typically connected to the light power measurement device 91.
  • Figures 8A, 8B, 8C illustrate a series of luminescence images acquired successively on a set of microLEDs.
  • the acquisition time of the images is 200 ns.
  • the image presented in Figure 8A corresponds to an acquisition carried out between 1 ps and 1.2 ps after the start of illumination.
  • the image presented in Figure 8B corresponds to an acquisition carried out between 1.5 ps and 1.7 ps after the start of illumination.
  • the image presented in Figure 8C corresponds to an acquisition carried out between 2 ps and 2.2 ps after the start of illumination.
  • the illumination is constant for each of the three images. In the image of Figure 8A, only a few bright spots are visible.
  • microLEDs which emit luminescence relatively early, prematurely with respect to the vast majority of “black” microLEDs which make up the image. These “white” microLEDs have little or no capacity to accumulate charges, they are typically non-functional.
  • the majority of the microLEDs begin to emit luminescence.
  • a slight variation in luminescence is observed at the level of all the microLEDs. This may reflect a slight inhomogeneity in the individual performances of the microLEDs.
  • the variations in luminescence are less pronounced.
  • the microLED matrix is generally homogeneous.
  • the characterization system and method according to the invention advantageously make it possible to evaluate without contact the performance of each microLED of a set of microLEDs, and to individually identify non-functional or defective microLEDs.

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Abstract

L'invention a pour objet un procédé de caractérisation de dispositifs électroluminescents, comprenant : •une illumination des dispositifs électroluminescents configurée pour générer des porteurs de charge, •une acquisition d'une série d'images de luminescence émises par recombinaison des porteurs de charge dans les dispositifs électroluminescents, •une détermination, à partir de la série d'images et pour un dispositif électroluminescent donné, d'une courbe de luminescence (20) en fonction du temps, •une détermination, à partir de la courbe de luminescence (20) en fonction du temps, d'au moins un paramètre représentatif d'un délai d'électroluminescence T, ledit délai d'électroluminescence T correspondant sensiblement au début d'une émission de rayonnements par électroluminescence du dispositif électroluminescent donné.

Description

« Procédé et système de caractérisation d’un dispositif optoélectronique »
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne le domaine des technologies pour la microélectronique et l’optoélectronique. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse le contrôle sans contact de dispositifs optoélectroniques, par exemple des micro-diodes électroluminescentes à base de GaN.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Typiquement, pour former un écran d’affichage auto-émissif comprenant des pixels émettant leur propre lumière, une pluralité de dispositifs optoélectroniques de type LED (acronyme anglais de « Light Emitting Diode », c’est-à-dire diode électroluminescente) ou microLED ou encore OLED (LED organique) est requise. Ces dispositifs optoélectroniques sont d’abord au moins en partie formés collectivement sur des substrats, typiquement sous forme de wafers, puis les dispositifs sont généralement assemblés de manière individuelle, typiquement sur un support d’écran, pour fabriquer le système final, typiquement l’écran d’affichage auto-émissif.
Avant assemblage, il est important de pouvoir tester les dispositifs optoélectroniques, collectivement et/ou individuellement, notamment pour écarter les dispositifs dysfonctionnels. Cela permet d’éviter des réparations ou des remplacements ultérieurs coûteux, au niveau du système. Il est néanmoins contre-productif, voire dommageable, de former des contacts électriques sur les dispositifs optoélectroniques en vue de les tester avant assemblage. Les tests électriques par contact sont complexes à réaliser, en particulier sur des microLEDs, et augmentent la durée et le coût du procédé de fabrication. La présence des contacts électriques peut en outre être problématique pour l’assemblage ultérieur. Un retrait des contacts peut donc être requis, avec le risque d’endommager les dispositifs optoélectroniques. Une méthode de test non destructive, qui puisse être mise en œuvre facilement à différentes étapes du procédé de fabrication, est un enjeu substantiel pour la fabrication industrielle de systèmes comprenant une pluralité de dispositifs optoélectroniques de type LED.
Une solution consiste à développer des techniques de caractérisation « sans contact ». Le document US9823198B2 divulgue une solution consistant à éclairer un ensemble de LED et à mesurer une réponse de luminescence de cet ensemble de LED, par l’intermédiaire d’une photodiode. Les caractéristiques de la réponse de luminescence, en particulier dans la partie transitoire de la réponse de luminescence, sont interprétées pour déterminer une photo-tension de jonction et une efficacité quantique interne notamment. Cette solution ne permet cependant pas de caractériser individuellement des microLEDs. Cette solution ne permet pas non plus de déterminer précisément les contributions de photoluminescence et d’électroluminescence à la réponse de luminescence de l’ensemble de LEDs.
La présente invention vise à pallier au moins partiellement les inconvénients des solutions mentionnées ci-dessus.
En particulier, un objet de la présente invention est de proposer un procédé de caractérisation d’un ensemble de dispositifs électroluminescents, présentant une précision et une résolution améliorées. Un autre objet de la présente invention est de proposer un système de caractérisation d’un ensemble de dispositifs électroluminescents, permettant de mettre en œuvre le procédé de caractérisation.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. En particulier, certaines caractéristiques et certains avantages du procédé de caractérisation peuvent s’appliquer mutatis mutandis au système de caractérisation, et réciproquement.
RESUME
Pour atteindre les objectifs mentionnés ci-dessus, un aspect concerne un procédé de caractérisation d’un ensemble de dispositifs électroluminescents arrangés en matrice sur un substrat, ledit procédé comprenant :
- au moins une illumination de l’ensemble de dispositifs électroluminescents par une source de lumière configurée pour générer des porteurs de charge dans les dispositifs électroluminescents,
- au moins une acquisition d’une série d’images de luminescence par un capteur configuré pour capter des rayonnements émis par recombinaison des porteurs de charge générés dans les dispositifs électroluminescents,
- une détermination, d’au moins un paramètre représentatif d’un délai d’électroluminescence , ledit délai d’électroluminescence correspondant sensiblement au début d’une émission de rayonnements par électroluminescence du dispositif électroluminescent donné.
La luminescence intègre essentiellement deux contributions : une contribution due à la photoluminescence et une contribution due à l’électroluminescence. Le phénomène de photoluminescence correspond à une simple absorption-réémission de photons, par exemple directement dans un puit quantique. Les photons provenant de l’illumination sont absorbés par le dispositif, qui présente alors un état excité. Lors de la désexcitation, le dispositif va réémettre des photons, typiquement de plus basse énergie. Cette absorption-réémission de photons se fait quasiment instantanément, sans délai (le délai de réémission qui correspond au temps de vie radiatif est typiquement inférieur à la nanoseconde). Le phénomène d’électroluminescence correspond à une émission de photons par recombinaison de porteurs de charge (électrons-trous). Le fonctionnement des dispositifs électroluminescents est basé sur ce phénomène d’électroluminescence. Le dispositif électroluminescent se comporte ici typiquement comme une capacité : lors de l’illumination, des porteurs de charge sont générés et stockés dans les bandes d’énergie jusqu’à ce qu’il y ait suffisamment de porteurs pour franchir la barrière de potentiel séparant les bandes d’énergie. Cette accumulation de porteurs sous illumination correspond à un régime transitoire du dispositif électroluminescent. Le délai d’électroluminescence correspond à la fin de ce régime transitoire d’accumulation de porteurs (le délai d’électroluminescence est significativement supérieur au temps de vie radiatif évoqué plus haut, typiquement de l’ordre de la microseconde). Lorsque les porteurs accumulés franchissent la barrière de potentiel, ils se recombinent entre eux en produisant des photons. La détermination précise du délai d’électroluminescence permet donc d’accéder à la contribution d’électroluminescence dans le phénomène de luminescence.
Dans le cadre du développement de la présente invention, il est apparu qu’une détermination d’au moins un paramètre représentatif du délai d’électroluminescence permettait avantageusement de caractériser de façon fiable les dispositifs électroluminescents.
Selon une possibilité, ledit procédé comprend :
- au moins une illumination de l’ensemble de dispositifs électroluminescents par une source de lumière configurée pour générer des porteurs de charge dans les dispositifs électroluminescents,
- au moins une acquisition d’une série d’images de luminescence par un capteur configuré pour capter des rayonnements émis par recombinaison des porteurs de charge générés dans les dispositifs électroluminescents,
- une détermination, à partir de la série d’images de luminescence et pour un dispositif électroluminescent donné de l’ensemble de dispositifs électroluminescents, d’une courbe de luminescence en fonction du temps,
- une détermination, à partir de la courbe de luminescence en fonction du temps, d’au moins un paramètre représentatif d’un délai d’électroluminescence , ledit délai d’électroluminescence correspondant sensiblement au début d’une émission de rayonnements par électroluminescence du dispositif électroluminescent donné.
Avantageusement, la courbe de luminescence est reconstruite à partir des données de la série d’images de luminescence acquises successivement. Typiquement, un point de la courbe de luminescence correspond à un même pixel ou à un même groupe de pixels d’une image de la série d’images. La courbe de luminescence est donc avantageusement issue d’une même zone localisée sur les images. Une pluralité de courbes de luminescence est ainsi extraite de la série d’images de luminescence. Le procédé de caractérisation est ainsi résolu spatialement et temporellement. Cela permet de caractériser distinctement plusieurs dispositifs de l’ensemble de dispositifs électroluminescents sur un même substrat, via leur courbe de luminescence. Selon une possibilité préférée, la résolution spatiale des images de luminescence de la série d’images permet de distinguer individuellement chaque dispositif électroluminescent sur le substrat. Le procédé permet ainsi d’obtenir une courbe de luminescence pour chaque dispositif électroluminescent.
La courbe de luminescence intègre les deux contributions dues à la photoluminescence et à l’électroluminescence. La détermination précise du délai d’électroluminescence permet d’accéder à la contribution d’électroluminescence dans la courbe de luminescence.
Selon un mode de réalisation, cette détermination se fait en dérivant la courbe de luminescence. La courbe dérivée de luminescence permet de déterminer précisément le délai d’électroluminescence à partir duquel le dispositif électroluminescent produit effectivement une électroluminescence. Selon une possibilité, la courbe dérivée de luminescence présente sensiblement un seul pic et le délai d’électroluminescence correspond au maximum de ce pic. Selon une autre possibilité, la courbe dérivée de luminescence présente deux pics et le délai d’électroluminescence correspond à l’intervalle entre ces deux pics.
En déterminant le délai d’électroluminescence , les contributions de photoluminescence et d’électroluminescence peuvent être séparées. L’efficacité quantique externe peut être avantageusement estimée de façon précise et reproductible à partir du délai d’électroluminescence , pour chaque dispositif électroluminescent.
Selon un autre mode de réalisation, l’au moins un paramètre représentatif du délai d’électroluminescence correspond à un jeu de paramètres statistiques issus d’une réduction dimensionnelle de la courbe de luminescence. Ce jeu de paramètres statistiques peut ensuite être mis à profit pour déterminer l’efficacité quantique externe de chaque dispositif électroluminescent.
Un autre aspect concerne un système de caractérisation d’un ensemble de dispositifs électroluminescents arrangés en matrice sur un substrat, ledit système comprenant :
- une source de lumière configurée pour générer des porteurs de charge dans les dispositifs électroluminescents,
- un capteur configuré pour capter des rayonnements émis par recombinaison des porteurs de charge générés dans les dispositifs électroluminescents,
- un contrôleur configuré pour contrôler une illumination de la source de lumière, et pour acquérir une série d’images de luminescence par le capteur,
- un module de traitement configuré pour :
• déterminer une courbe de luminescence en fonction du temps à partir de la série d’images de luminescence et pour un dispositif électroluminescent donné de l’ensemble de dispositifs électroluminescents, et pour • déterminer à partir de la courbe de luminescence au moins un paramètre représentatif d’un délai d’électroluminescence , ledit délai d’électroluminescence correspondant sensiblement au début d’une émission de rayonnements par électroluminescence du dispositif électroluminescent donné.
Un tel système permet avantageusement de mettre en œuvre le procédé de caractérisation décrit ci-dessus.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée de modes de réalisation de cette dernière qui sont illustrés par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
La figure 1A illustre un signal d’excitation et une première courbe de luminescence en réponse à ce signal d’excitation, selon un mode de réalisation de la présente invention.
La figure 1 B illustre schématiquement un diagramme de bandes correspondant à la première courbe de luminescence illustrée à la figure 1A.
La figure 2A illustre un signal d’excitation et une deuxième courbe de luminescence en réponse à ce signal d’excitation, selon un mode de réalisation de la présente invention.
La figure 2B illustre schématiquement un diagramme de bandes correspondant à la deuxième courbe de luminescence illustrée à la figure 2A.
La figure 3 illustre un signal d’excitation, une courbe de luminescence en réponse à ce signal d’excitation, une courbe dérivée de la courbe de luminescence, et une courbe de photo-tension, selon un mode de réalisation de la présente invention.
La figure 4 illustre un signal d’excitation en escalier, une courbe de luminescence en réponse à ce signal d’excitation, et une courbe dérivée de la courbe de luminescence, selon un autre mode de réalisation de la présente invention.
La figure 5 illustre une comparaison de courbes de luminescence après correction de la contribution de photoluminescence, selon un mode de réalisation de la présente invention.
La figure 6A illustre différentes courbes de luminescence obtenues expérimentalement, pour différentes concentrations de magnésium, selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 6B illustre différentes courbes de luminescence obtenues par simulation, pour différentes concentrations de pièges donneurs, selon un mode de réalisation de la présente invention.
La figure 7 A illustre schématiquement un système de caractérisation, selon un premier mode de réalisation de la présente invention.
La figure 7B illustre schématiquement un système de caractérisation, selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention.
La figure 7C illustre schématiquement un système de caractérisation, selon un troisième mode de réalisation de la présente invention.
Les figures 8A, 8B, 8C illustrent une série d’images de luminescence acquises successivement sur un ensemble de microLEDs, selon un mode de réalisation de la présente invention. Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, il est rappelé que l’invention selon son premier aspect comprend notamment les caractéristiques optionnelles ci- après pouvant être utilisées en association ou alternativement :
Selon un exemple, le procédé comprend en outre une détermination, à partir de la série d’images de luminescence et pour un dispositif électroluminescent donné de l’ensemble de dispositifs électroluminescents, d’une pluralité de valeurs représentatives de luminescence en fonction du temps, la détermination de l’au moins un paramètre représentatif d’un délai d’électroluminescence étant effectuée à partir de ladite pluralité de valeurs représentatives de luminescence en fonction du temps. Ces valeurs représentatives de luminescence correspondent par exemple à des valeurs de photovoltage.
Selon un exemple, la détermination de l’au moins un paramètre représentatif du délai d’électroluminescence comprend une dérivation de la courbe de luminescence de sorte à obtenir une courbe dérivée de luminescence, l’au moins un paramètre représentatif du délai d’électroluminescence étant un intervalle AT entre une origine de temps et un temps caractéristique correspondant à un maximum de ladite courbe dérivée de luminescence.
Selon un exemple, le procédé comprend en outre, après détermination de l’au moins un paramètre représentatif du délai d’électroluminescence , un calcul d’efficacité quantique externe EQE selon :
Figure imgf000008_0001
Où LEL est une contribution d’électroluminescence à une luminescence totale, et AT l’intervalle représentatif du délai d’électroluminescence .
Selon un exemple, l’au moins une illumination se présente sous forme d’un signal en escalier comprenant deux marches. Le signal en escalier permet de conserver une charge dans le dispositif électroluminescent. Selon un exemple, l’au moins une illumination se présente sous forme d’un signal pulsé. Le signal pulsé comprend typiquement au moins deux pics suffisamment rapprochés pour conserver une charge dans le dispositif électroluminescent. La conservation d’une charge dans le dispositif permet de s’affranchir d’un biais de mesure lié à une initiation de la charge dans le dispositif. La mesure du délai d’électroluminescence est plus fiable. La précision sur la mesure du délai d’électroluminescence est améliorée.
Selon un exemple, la courbe dérivée de luminescence présente au moins un premier pic et un deuxième pics successifs, l’origine de temps étant prise au niveau du premier pic et le temps caractéristique étant pris au niveau du deuxième pic pour déterminer l’intervalle AT. L’intervalle AT correspond à l’intervalle entre les premier et deuxième pics. Le premier pic de la courbe dérivée de luminescence est typiquement lié à la première marche du signal en escalier d’illumination, ou à un premier pic du signal pulsé d’illumination. Le deuxième pic de la courbe dérivée de luminescence est typiquement lié à la deuxième marche du signal en escalier d’illumination, ou à un deuxième pic du signal pulsé d’illumination.
Selon un exemple, la détermination de l’au moins un paramètre représentatif du délai d’électroluminescence comprend une réduction de dimensionnalité de la courbe de luminescence, par exemple par un premier algorithme, configurée pour générer un jeu de paramètres statistiques permettant de conserver au moins 90%, de préférence au moins 95%, et de préférence au moins 99% de la variance de la courbe de luminescence. Ce type de traitement peut avantageusement être effectué par apprentissage automatique (machine learning). Le jeu de paramètres statistiques issu de ce traitement présente des corrélations avec le délai d’électroluminescence , et en particulier avec une dérivée temporelle du délai d’électroluminescence . Une corrélation de Pearson de l’ordre de 86% peut par exemple être obtenue entre certains paramètres du jeu de paramètres statistiques et la dérivée temporelle du délai d’électroluminescence .
Selon un exemple, le procédé comprend en outre un calcul d’efficacité quantique externe EQE à partir du jeu de paramètres statistiques, par un deuxième algorithme typiquement basé sur un apprentissage automatique.
Selon un exemple, l’au moins une acquisition est configurée de sorte que lesdites images de la série d’images présentent :
- une résolution spatiale telle que les dispositifs électroluminescents soient individuellement résolus sur lesdites images de luminescence,
- une résolution temporelle inférieure à une durée d’une phase d’émission transitoire des dispositifs électroluminescents.
Cela permet de reconstruire une courbe de luminescence pour chaque dispositif électroluminescent de l’image, avec une résolution temporelle suffisante pour rendre compte de la phase d’émission transitoire des dispositifs électroluminescents.
Selon un exemple, l’au moins une acquisition est configurée de sorte que la série d’images de luminescence comprenne au moins cinq images de luminescence lors de la phase d’émission transitoire des dispositifs électroluminescents.
Selon un exemple, l’au moins une acquisition de la série d’images de luminescence est effectuée avec un temps d’acquisition inférieur ou égal à 500 ns pour chaque image de la série d’images de luminescence.
Selon un exemple, les images de luminescence présentent une résolution spatiale inférieure ou égale au micromètre.
Selon un exemple, l’au moins une illumination comprend une pluralité de puises d’illuminations. Selon un exemple, l’au moins une acquisition comprend une pluralité de séries d’images de luminescence, lesdites séries étant synchronisées vis-à-vis des puises d’illumination. Cela permet d’obtenir in fine une courbe dérivée de luminescence présentant plusieurs pics correspondant aux différents puises d’illumination. Le délai d’électroluminescence peut être pris entre deux pics consécutifs de la courbe dérivée de luminescence. La mesure du délai d’électroluminescence se fait ainsi de façon relative. Cela permet de s’affranchir d’éventuels délais liés au système de mesure, par exemple dus aux lignes de transmission des signaux. Cela permet d’éviter d’éventuels biais de mesure liés à des charges résiduelles des dispositifs. La mesure du délai d’électroluminescence est plus fiable. La précision sur la mesure du délai d’électroluminescence est améliorée.
Selon un exemple l’au moins une illumination comprend une pluralité de puises d’illuminations. Selon un exemple l’au moins une acquisition d’une série d’image comprend l’acquisition d’une image de luminescence associée à chaque puise de la pluralité de puises d’illumination. Selon un exemple chaque acquisition est effectuée à un instant ti = tO + i*ôt où tO est le début d’un puise d’illumination de la pluralité de puises d’illuminations, avec 50 ns < 5t < 500 ns, pour i variant de 1 à n.
Selon un exemple l’au moins une, ou le cas échéant chaque acquisition est effectuée après une série de deux puises d’illuminations consécutifs.
Selon un exemple l’au moins une illumination comprend une pluralité de puises d’illuminations, et l’au moins une acquisition d’une série d’image comprend n acquisitions d’une image de luminescence chacune, chaque acquisition étant effectuée à un instant ti = tO + i*ôt où tO est le début d’un puise d’illumination de la pluralité de puises d’illuminations, avec 50 ns < 5t < 500 ns, pour i variant de 1 à n. Les puises d’illuminations sont typiquement identiques entre eux. Cela permet d’acquérir une série d’images présentant différents intervalles temporels vis-à-vis de l’instant tO correspondant à un début de puise d’illumination. Cela permet de reconstruire virtuellement une fréquence d’acquisition suffisamment élevée pour obtenir une pluralité d’images lors de la phase d’émission transitoire des dispositifs électroluminescents.
Selon un exemple, chaque acquisition est effectuée après une série de deux puises d’illuminations consécutifs. Le premier puise de cette série permet de charger et décharger proprement le dispositif électroluminescent. Cela permet d’évacuer d’éventuelles charges résiduelles dans le dispositif. Cela permet de contrôler un état de charge initial de façon reproductible. Ce premier puise correspond à un puise de conditionnement, effectué sans acquisition. Le deuxième puise de cette série est celui à partir duquel est effectué l’acquisition d’images. Cela permet d’éviter d’éventuels biais de mesure liés à des charges résiduelles des dispositifs. La mesure du délai d’électroluminescence est plus fiable. La précision sur la mesure du délai d’électroluminescence est améliorée.
Selon un exemple, l’illumination comprend deux premiers puises de même puissance suivis d’une pluralité de puises de puissance croissante.
Selon un exemple :
- l’au moins une illumination se présente sous forme d’un premier signal en escalier comprenant deux marches,
- la courbe de luminescence se présente sous forme d’un deuxième signal en escalier comprenant deux marches,
- la courbe dérivée de luminescence présente deux pics correspondant aux deux marches de la courbe de luminescence, la détermination du délai d’électroluminescence se fait entre les deux pics de la courbe dérivée de luminescence.
La mesure du délai d’électroluminescence se fait également de façon relative. Cela permet de s’affranchir d’éventuels délais liés au système de mesure, par exemple dus aux lignes de transmission des signaux. Cela permet d’éviter d’éventuels biais de mesure liés à des charges résiduelles des dispositifs. La mesure du délai d’électroluminescence est plus fiable. La précision sur la mesure du délai d’électroluminescence est améliorée.
Selon un exemple, la partie de la courbe de luminescence située avant le délai d’électroluminescence est identifiée comme étant une contribution de photoluminescence, et la partie de la courbe de luminescence située après le délai d’électroluminescence est identifiée comme étant une somme d’une contribution d’électroluminescence et de la contribution de photoluminescence. Selon un exemple, le procédé comprend en outre, après détermination du délai d’électroluminescence , une soustraction de la contribution de photoluminescence à la courbe de luminescence du dispositif électroluminescent donné. Cela permet de comparer et de hiérarchiser les performances d’électroluminescence des différents dispositifs électroluminescents entre eux, sans biais dû à la photoluminescence.
Selon un exemple, l’efficacité quantique externe est calculée comme étant le produit de la contribution d’électroluminescence et du délai d’électroluminescence .
Selon un exemple, le capteur présente une taille de pixel inférieure à une dimension caractéristique des dispositifs électroluminescents. Selon un exemple, le capteur présente une résolution spatiale inférieure ou égale au micromètre.
Selon un exemple, le capteur présente une résolution temporelle inférieure ou égal à 500 ns.
Selon un exemple, la source de lumière est pulsée. Selon un exemple, le contrôleur est configuré pour synchroniser l’acquisition de séries d’images de luminescence par le capteur avec des puises d’illumination de la source de lumière pulsée.
Selon un exemple, le système comprend en outre un dispositif de suivi configuré pour suivre une dérive dans le temps de l’illumination par la source de lumière. Selon un exemple, le contrôleur est configuré pour compenser ou prendre en compte ladite dérive.
Selon un exemple, le système comprend en outre une photodiode configurée pour acquérir un signal de luminescence moyen émis par l’ensemble des dispositifs électroluminescents, non résolu spatialement, ladite photodiode présentant une résolution temporelle de l’ordre de la nanoseconde. Le signal de luminescence moyen acquis sur l’ensemble des dispositifs électroluminescents permet d'augmenter le rapport signal/bruit et d'améliorer la précision de la mesure de l'intensité, du délai et de l'EQE moyen.
Selon un exemple, le système comprend en outre un module de mesure de tension photo-induite dans les dispositifs électroluminescents, l’ensemble de dispositifs électroluminescents comprenant des premières électrodes, et ledit module comprenant des deuxièmes électrodes configurées pour former un couplage capacitif avec les premières électrodes, de manière à mesurer une tension photo-induite dans les dispositifs électroluminescents. Cela permet d’avoir une mesure directe de la tension photo-induite. La corrélation entre le délai d’électroluminescence et la tension photo-induite est améliorée.
Selon un exemple, la tension photo-induite est estimée à 1 / .
Selon un exemple, un critère de qualité de luminescence est affecté aux dispositifs électroluminescents en fonction du délai d’électroluminescence . Par exemple, pour un ensemble de dispositifs électroluminescents, les dispositifs électroluminescents présentant un délai d’électroluminescence supérieur ou égal à 70% du délai d’électroluminescence maximal sont considérés comme étant fonctionnels. Les autres dispositifs peuvent être triés et/ou rejetés. Cela permet d’obtenir un sous-ensemble de dispositifs électroluminescents présentant une bonne homogénéité de performance autour d’une performance nominale. Le délai d’électroluminescence maximal est le délai d’électroluminescence le plus élevé qui a été déterminé parmi les dispositifs électroluminescents de l’ensemble de dispositifs électroluminescents.
Sauf incompatibilité, des caractéristiques techniques décrites en détail pour un mode de réalisation donné peuvent être combinées aux caractéristiques techniques décrites dans le contexte d’autres modes de réalisation décrits à titre exemplaire et non limitatif, de manière à former un autre mode de réalisation qui n’est pas nécessairement illustré ou décrit. Un tel mode de réalisation n’est évidemment pas exclu de l’invention.
Dans la présente invention, le procédé est en particulier dédié à la caractérisation sans contact de dispositifs électroluminescents, en particulier des dispositifs de dimensions micrométriques tels que des diodes électroluminescentes (LED). Les LEDs ou microLEDs individuelles présentent typiquement des dimensions, en projection dans un plan de base xy, par exemple comprises entre 2,5 pm X 2,5 pm et 50 pm X 50 pm.
L’invention peut être mise en œuvre plus largement pour différents dispositifs optoélectroniques. L’invention peut par exemple être mise en œuvre dans le cadre de dispositifs laser.
Les étapes du procédé telles que revendiquées s’entendent au sens large et peuvent éventuellement être réalisées en plusieurs sous-étapes.
Plusieurs modes de réalisation de l’invention mettant en œuvre des étapes successives du procédé de réalisation sont décrits ci-après. Sauf mention explicite, l’adjectif « successif » n’implique pas nécessairement, même si cela est généralement préféré, que les étapes se suivent immédiatement, des étapes intermédiaires pouvant les séparer.
Par ailleurs, le terme « étape » ne signifie pas obligatoirement que les actions menées durant une étape soient simultanées ou immédiatement successives. Certaines actions d’une première étape peuvent notamment être suivies d’actions liées à une étape différente, et d’autres actions de la première étape peuvent être reprises ensuite. Ainsi, le terme étape ne s’entend pas forcément d’actions unitaires et inséparables dans le temps et dans l’enchaînement des phases du procédé.
Dans la présente demande de brevet, les termes « diode électroluminescente », « LED » ou simplement « diode » sont employés en synonymes. Une « LED » peut également s’entendre d’une « micro-LED » voire d’une LED associée à sa propre électronique de commande (smart LED), le cas échéant.
Les termes « sensiblement », « environ », « de l'ordre de » signifient, lorsqu’ils se rapportent à une valeur, « à 10% près » de cette valeur.
Dans la présente demande de brevet, la courbe de luminescence peut correspondre à un flux ou une puissance lumineuse, ou encore une intensité d’émission du dispositif ou d’un ensemble de dispositifs, en fonction du temps.
La figure 1A illustre une courbe d’excitation 10 correspondant à l’illumination d’un premier dispositif électroluminescent, et une première courbe de luminescence 20 correspondant à la réponse de ce premier dispositif à l’illumination. Les courbes 10, 20 sont fonction du temps et sont superposées selon une échelle de flux lumineux normalisée, de façon à les comparer. La courbe d’excitation 10 se présente sous forme d’un créneau ou d’une marche d’escalier. L’illumination atteint sans délai son flux lumineux maximum, elle est quasiment instantanée. Le moment to où débute l’illumination peut être précisément déterminé sans difficulté sur cette courbe d’excitation 10 en créneau, à 10-7 s près. La première courbe de luminescence 20 présente une première partie pendant laquelle le flux lumineux est quasi-nul, une deuxième partie où le flux lumineux augmente progressivement, et une troisième partie où le flux lumineux se stabilise autour d’une valeur nominale. La première partie correspond à une phase d’accumulation des porteurs photo-générés dans les bandes de conduction et de valence ; la deuxième partie correspond à une phase de régime transitoire où les porteurs accumulés commencent à se recombiner en émettant des photons ; la troisième partie correspond à une phase de régime établi où les porteurs se recombinent en émettant des photons. Une telle courbe de luminescence 20 correspond typiquement à un phénomène d’électroluminescence du premier dispositif.
La figure 1 B illustre un diagramme de bandes correspondant schématiquement au phénomène d’électroluminescence décrit en référence à la figure 1A. Dans un dispositif électroluminescent comprenant une jonction P-N entre une région de type P et une région de type N, les niveaux de Fermi EF de ces régions s’alignent et on observe une courbure des bandes de conduction BC et de valence BV au niveau de la jonction. Un puit quantique est ici représenté au milieu de la jonction. Lorsque la bande de conduction est suffisamment remplie, les électrons - peuvent passer par le puit quantique pour se recombiner avec les trous + de la bande de valence, ce qui produit une électroluminescence. Un tel dispositif électroluminescent est donc fonctionnel.
La figure 2A illustre une courbe d’excitation 10 correspondant à l’illumination d’un deuxième dispositif électroluminescent, et une deuxième courbe de luminescence 20 correspondant à la réponse de ce deuxième dispositif à l’illumination. Comme précédemment, les courbes 10, 20 sont fonction du temps et sont superposées selon une échelle de flux lumineux normalisée, de façon à les comparer. La courbe d’excitation 10 se présente sous forme d’un créneau ou d’une marche d’escalier. L’illumination atteint sans délai son flux lumineux maximum, elle est quasiment instantanée, à to. La deuxième courbe de luminescence 20 présente sensiblement la même forme que la courbe d’excitation 10. La luminescence atteint sans délai son flux lumineux maximum, elle est quasiment instantanée, à to. Une telle courbe de luminescence 20 correspond typiquement à un phénomène unique de photoluminescence du deuxième dispositif (pas de phénomène d’électroluminescence).
La figure 2B illustre un diagramme de bandes correspondant schématiquement au phénomène de photoluminescence décrit en référence à la figure 2A. Comme précédemment, les niveaux de Fermi EF des régions de type P et de type N s’alignent et on observe une courbure des bandes de conduction BC et de valence BV au niveau de la jonction. Un puit quantique est ici représenté au bord de la jonction. Dans ce cas, la bande de conduction est instantanément remplie et les électrons - peuvent passer par le puit quantique pour se recombiner avec les trous + de la bande de valence sans délai, ce qui produit une photoluminescence. Le puit quantique est mal positionné vis-à-vis de la jonction. Le phénomène d’électroluminescence n’a pas lieu. Un tel dispositif électroluminescent n’est donc pas fonctionnel.
Dans le cadre de la présente invention, il a ainsi été observé que le délai au bout duquel apparaît la luminescence peut être utilisé pour caractériser les dispositifs électroluminescents fonctionnels et non fonctionnels. Un enjeu consiste à déterminer précisément le délai d’électroluminescence propre à chaque dispositif électroluminescent.
La figure 3 illustre une possibilité préférée pour déterminer le délai d’électroluminescence . Comme précédemment, les courbes d’excitation 10 et de luminescence 20 sont superposées. L’instant to correspond au début de l’illumination. La courbe de luminescence 20 est obtenue par simulation sur un dispositif électroluminescent à caractériser. La courbe 30 correspond à une courbe de tension photo-induite obtenue par simulation sur un dispositif électroluminescent idéal, du même type que celui à caractériser. La courbe de tension photo-induite 30 présente trois parties. La première partie où la tension est quasi-nulle correspond typiquement à l’accumulation de porteurs au bas de la bande de conduction : le champ électrique reste nul au niveau de la jonction. La deuxième partie où la tension augmente progressivement correspond typiquement au remplissage de la bande de conduction par les porteurs jusqu’au niveau d’énergie du puit quantique : le dispositif se comporte comme une capacité. La troisième partie où la tension se stabilise autour d’une valeur nominale correspond au déversement des porteurs à travers le puit quantique : le champ électrique n’évolue plus. La transition entre la deuxième partie et la troisième partie de la courbe de tension photo-induite 30 correspond au début de l’électroluminescence, lorsque les électrons déversés dans le puit quantique se recombinent avec les trous de la bande de valence. L’intervalle entre l’instant to et le moment de cette transition correspond donc au délai d’électroluminescence .
En pratique, il a été avantageusement observé que le moment de cette transition correspond au sommet du pic de la courbe dérivée 21 de la courbe de luminescence 20. Ainsi, il n’est pas nécessaire d’effectuer des simulations complexes pour déterminer le délai d’électroluminescence . Selon l’invention, on effectue une dérivation par rapport au temps de la courbe de luminescence 20 pour obtenir la courbe dérivée de luminescence 21. Selon une première possibilité, le délai d’électroluminescence est déterminé à partir de cette courbe dérivée de luminescence 21 , comme étant l’intervalle entre l’instant to et le sommet du pic de la courbe dérivée de luminescence 21 .
La figure 4 illustre une deuxième possibilité pour déterminer le délai d’électroluminescence . Dans cette variante, la courbe d’excitation 10 se présente sous forme d’un signal en escalier comprenant deux marches. En réponse, la courbe de luminescence 20 se présente également sous forme d’un escalier comprenant deux marches M1 , M2. Les marches du signal de la courbe d’excitation 10 sont de préférence configurées de façon que les marches M1 , M2 de la courbe de luminescence 20 soient de largeur et/ou de hauteur différentes. En particulier, l’illumination est configurée de sorte que la première marche M1 soit relativement plus petite que la deuxième marche M2. La première marche M1 correspond typiquement à l’initiation d’un état de charge dans le dispositif électroluminescent. La deuxième marche M2 correspond typiquement au phénomène d’électroluminescence du dispositif.
Dans ce cas, la courbe dérivée de luminescence 21 présente deux pics P1 , P2 correspondant respectivement aux deux marches M1 , M2 de la courbe de luminescence 20. La détermination du délai d’électroluminescence se fait ici entre les sommets des deux pics P1 , P2 de la courbe dérivée de luminescence 21 . La détermination du délai d’électroluminescence se fait ici de façon relative. Cela permet de s’affranchir d’éventuels délais liés au système d’illumination et/ou de mesure, par exemple liés aux pertes dans les lignes de transmission. Cela permet également de contrôler l’état du dispositif électroluminescent lors de la mesure. En particulier, on s’assure que le dispositif électroluminescent fonctionne entre deux états de charge contrôlés. Les charges résiduelles sont neutralisées. Cela permet d’éviter d’éventuels biais de mesure. La mesure du délai d’électroluminescence est plus fiable et plus précise.
D’autres variantes sont également possibles. Selon un exemple, l’illumination est pulsée, la courbe d’excitation 10 se présente sous forme de créneaux. La courbe de luminescence 20 peut également se présenter sous forme de créneaux. La courbe dérivée de luminescence 21 présente alors une pluralité de pics. La détermination du délai d’électroluminescence peut également se faire de façon relative dans ce cas. La durée et/ou l’intensité des créneaux de la courbe d’excitation peuvent varier.
Après détermination du délai d’électroluminescence , il est possible de retrancher à la luminescence totale du dispositif la contribution de luminescence survenant avant le délai d’électroluminescence . Une telle contribution provient essentiellement du phénomène de photoluminescence. Il est ainsi possible de corriger la courbe de luminescence de façon à apprécier la seule contribution d’électroluminescence du dispositif.
La figure 5 illustre une comparaison de courbes de luminescence en fonction de la tension photoinduite Vpv, après correction de la contribution de photoluminescence.
Comme indiqué précédemment, la tension photo-induite est liée à la capacité du dispositif électroluminescent à stocker une charge Q dans le temps. Le dispositif s’apparente ainsi à un réservoir de charges. Plus le réservoir est grand, plus le temps nécessaire au remplissage du réservoir est long. La tension photo-induite Vpv est donc inversement proportionnelle au temps nécessaire au remplissage. La valeur de la tension Vbi à partir de laquelle l’électroluminescence apparaît (c’est-à-dire lorsque le réservoir déborde, par analogie) est inversement proportionnelle au délai d’électroluminescence . Avant la valeur de tension Vbi, seule la photoluminescence contribue à la luminescence du dispositif. Après la valeur de tension Vbi, l’électroluminescence contribue, en plus de la photoluminescence, à la luminescence du dispositif.
Sur la figure 5, la courbe 20a correspond à une courbe de luminescence d’un premier dispositif avant correction de la contribution de photoluminescence. La courbe 20a* correspond à la courbe de luminescence du premier dispositif après correction de la contribution de photoluminescence. La courbe 20b correspond à une courbe de luminescence d’un deuxième dispositif avant correction de la contribution de photoluminescence. La courbe 20b* correspond à la courbe de luminescence du deuxième dispositif après correction de la contribution de photoluminescence. Les courbes 20b, 20b* sont sensiblement superposées parce que la courbe 20b ne présente pas de contribution de photoluminescence. Avant correction, en se basant sur la luminescence totale des dispositifs, le premier dispositif semble plus performant que le deuxième dispositif. Lorsque l’on retranche la contribution de photoluminescence cependant, il apparaît que le deuxième dispositif est plus performant que le premier dispositif. Dans certains cas, la contribution de photoluminescence peut être suffisamment significative pour biaiser le résultat de la caractérisation sans contact, sous illumination. Selon une possibilité préférée, le procédé de caractérisation comprend une étape de correction des courbes de luminescence par soustraction de la contribution de photoluminescence. Cela permet d’évaluer les performances d’électroluminescence des dispositifs électroluminescents. Les dispositifs électroluminescents peuvent être classés et/ou triés en fonction de leurs performances d’électroluminescence.
Après détermination du délai d’électroluminescence , il est également possible d’estimer l’efficacité quantique externe EQE du dispositif, d’après la relation suivante :
[Mathl]
Figure imgf000016_0001
Où L est la luminescence totale, LEL est la contribution d’électroluminescence, LPL est la contribution de photoluminescence, I est un courant électrique dans le dispositif, V est une tension électrique dans le dispositif, Vbi est la tension photo-induite d’électroluminescence, et le délai d’électroluminescence.
En soustrayant ou en négligeant la contribution de photoluminescence, l’EQE se calcule directement par le produit entre le flux d’électroluminescence et le délai d’électroluminescence . La méthode indiquée pour la détermination du délai d’électroluminescence étant fiable et précise, le calcul de l’EQE est également fiable et précis, en particulier dans le but de classer les performances relatives de différents dispositifs électroluminescents.
La courbe dérivée de luminescence 21 peut également être avantageusement mise à profit pour obtenir d’autres informations sur le dispositif à caractériser. Dans ce qui suit, une simple illumination est mise en œuvre. La courbe dérivée de luminescence attendue devrait donc présenter un seul pic. La figure 6A présente différentes courbes dérivées de luminescence 21 a, 21 b, 21 c, 21 d, 21 e, 21 f obtenues expérimentalement pour différents dispositifs électroluminescents à base de GaN présentant une concentration en magnésium Mg variable. La concentration en magnésium Mg augmente ici progressivement entre la courbe 21 a et la courbe 21 f. Les courbes dérivées de luminescence 21 a, 21 b, 21 c, 21 d, 21 e, 21 f présentent de façon surprenante deux pics. Le premier pic P1 a, P1 b, P1 c... diminue progressivement lorsque la concentration en magnésium Mg augmente. Il apparaît globalement au même moment t-i. Le deuxième pic P2a, P2b, P2c... reste sensiblement constant. Il se décale progressivement dans le temps lorsque la concentration en magnésium Mg augmente. Dans le GaN, le magnésium permet typiquement de compenser les pièges donneurs de type (Vca - O)2- ou plus généralement une impureté de type oxygène. En augmentant la concentration en magnésium Mg, la concentration de pièges donneurs diminue.
La figure 6B présente différentes courbes dérivées de luminescence 21 as, 21 bs, 21 es, 21 ds, obtenues par simulation pour différents dispositifs électroluminescents présentant une concentration en piège donneur variable. La concentration en piège donneur diminue progressivement entre la courbe 21 as et la courbe 21 ds. Le comportement des différents pics des courbes simulées 21 as, 21 bs, 21 es, 21 ds est similaire au comportement observé pour les pics des courbes expérimentales 21 a, 21 b, 21 c, 21 d, 21 e, 21 f. Cela tend à confirmer que le premier pic est dans ce cas lié à la concentration en piège donneur du dispositif. L’utilisation des courbes dérivées de luminescence peut ainsi renseigner qualitativement sur une concentration en piège donneur significative ou non dans le dispositif. Ces courbes dérivées de luminescence peuvent renseigner sur d’autres caractéristiques des dispositifs, par exemple sur un dopage résiduel du dispositif.
En pratique, les wafers (en tant que substrats) à inspecter par luminescence comprennent des ensembles plus ou moins denses de dispositifs électroluminescents. Il est donc souhaitable que le procédé de caractérisation permette d’extraire les courbes de luminescence pour chaque dispositif individuel. Une caractérisation globale n’est pas adaptée. Une caractérisation locale par cartographie des différents dispositifs est longue et peut être confrontée à des problèmes de dérive. Dans le cadre de la présente invention, une caractérisation locale des différents dispositifs par imagerie résolue spatialement et temporellement a été développée. Les courbes de luminescence sont reconstruites à partir d’une série d’images successives de la même zone du wafer, en extrayant les valeurs de luminescence d’un même pixel ou d’un même groupe de pixels de chaque image.
Les figures 7 A, 7B, 7C illustrent schématiquement différents modes de réalisation d’un système de caractérisation permettant de mettre en œuvre le procédé de caractérisation par imagerie de luminescence résolue spatialement et temporellement. En particulier, une caméra à haute résolution spatiale (submicronique) est intégrée au système. Cette caméra est une caméra rapide permettant d’acquérir des images avec un temps d’acquisition très court (inférieur à 500ns) et un délai d'exposition précis (<10ns de décalage). Selon une possibilité, la caméra permet d’acquérir des images avec une fréquence élevée (de 2 à 30 images en une microseconde) depuis le début de l’illumination. Cela permet d’acquérir après un seul puise d’illumination une série de plusieurs images lors de la phase d’émission transitoire des dispositifs électroluminescents. Selon une autre possibilité, si la caméra ne permet pas une fréquence d’acquisition élevée, chaque image de la série d’images est acquise après différents puises d’illumination identiques, à intervalles de temps différents depuis le début du puise d’illumination servant au déclenchement de l’acquisition. Par exemple, une première image est acquise à tO + ôt après un premier puise d’illumination. Puis une deuxième image est acquise à tO + 2.ôt après un deuxième puise d’illumination identique au premier puise d’illumination. Puis une troisième image est acquise à tO + 3.ôt après un troisième puise d’illumination identique au premier et deuxième puises d’illumination. Cette séquence est poursuivie jusqu’à l’acquisition d’une n-ième image à tO + n.ôt après un n-ième puise d’illumination. Des puises d’illumination intermédiaires, entre les puises d’illumination servant à déclencher les acquisitions d’images, peuvent être effectués de manière à conditionner un état de charge/décharge des dispositifs électroluminescents par exemple. Ces puises intermédiaires peuvent présenter des puissances lumineuses différentes des puises d’illumination servant au déclenchement des acquisitions.
Le système illustré à la figure 7A comprend de préférence :
- une source de lumière 1 configurée pour illuminer les dispositifs électroluminescents du wafer 2, en générant des porteurs de charge dans ces dispositifs. La source de lumière 1 est typiquement monochromatique ou quasi-monochromatique, avec une longueur d’onde d’émission À centrée dans l’UV proche, par exemple À = 365 nm. La source de lumière 1 peut être pulsée,
- un capteur 3 configuré pour acquérir des images de luminescence des dispositifs électroluminescents. Ce capteur 3 est typiquement une caméra présentant une résolution spatiale inférieure ou égale à 1 pm, avec un temps d’acquisition inférieur ou égal à 500 ns,
- un contrôleur 4 configuré pour contrôler l’illumination du wafer 2 et l’acquisition des images de luminescence.
Le système comprend ou est relié à un module de traitement configuré pour reconstruire les courbes de luminescence en fonction du temps à partir de la série d’images de luminescence, typiquement à partir d’une série de pixels issus de la série d’images. Le module de traitement peut être configuré pour calculer les courbes dérivées des courbes de luminescence.
Le système peut également comprendre des éléments d’optiques, tels qu’un miroir dichroïque 5, un objectif 6 et une ou plusieurs lentilles 7. Le système peut également comprendre un module de synchronisation 8 entre la source de lumière 1 et le capteur 3, de façon à synchroniser l’illumination et l’acquisition des images.
Le système illustré à la figure 7B comprend en outre un dispositif ou module de suivi 9 configuré pour suivre dans le temps les caractéristiques de l’illumination par la source de lumière 1. Ce module de suivi 9 peut comprendre en outre une photodiode 90 permettant d’améliorer la détection temporelle du début d’illumination. Le module de suivi 9 peut également comprendre un dispositif de mesure de puissance lumineuse 91 configuré pour suivre les fluctuations de la source de lumière 1. Cela permet de suivre une éventuelle dérive au cours du temps des caractéristiques de l’illumination. Le contrôleur 4 peut être configuré pour compenser ou prendre en compte cette dérive.
Le système illustré à la figure 7C comprend en outre une détection de luminescence moyenne du wafer 2. Cette détection met en œuvre un séparateur de faisceau 92 et une photodiode 93 présentant une résolution temporelle de l’ordre de la nanoseconde. La photodiode 93 est typiquement configurée pour acquérir un signal de luminescence moyen émis par l’ensemble des dispositifs électroluminescents, non résolu spatialement. La photodiode 93 est typiquement reliée au dispositif de mesure de puissance lumineuse 91.
Les figures 8A, 8B, 8C illustrent une série d’images de luminescence acquises successivement sur un ensemble de microLEDs. La durée d’acquisition des images est de 200 ns. L’image présentée à la figure 8A correspond à une acquisition effectuée entre 1 ps et 1 ,2 ps après le début de l’illumination. L’image présentée à la figure 8B correspond à une acquisition effectuée entre 1 ,5 ps et 1 ,7 ps après le début de l’illumination. L’image présentée à la figure 8C correspond à une acquisition effectuée entre 2 ps et 2,2 ps après le début de l’illumination. L’illumination est constante pour chacune des trois images. Sur l’image de la figure 8A, seuls quelques points lumineux sont visibles. Ces points lumineux correspondent à des microLEDs qui émettent une luminescence relativement tôt, prématurément vis-à-vis de la grande majorité de microLEDs « noires » qui composent l’image. Ces microLEDs « blanches » n’ont pas ou peu de capacité à accumuler des charges, elles sont typiquement non fonctionnelles. Sur l’image de la figure 8B, la majorité des microLEDs commence à émettre une luminescence. A ce stade, on observe une légère variation de luminescence au niveau de l’ensemble des microLEDs. Cela peut traduire une légère inhomogénéité dans les performances individuelles des microLEDs. Sur l’image de la figure 8C, les variations de luminescence sont moins prononcées. La matrice de microLEDs est globalement homogène.
Comme illustré au travers des exemples précédents, le système et le procédé de caractérisation selon l’invention permettent avantageusement d’évaluer sans contact les performances de chaque microLED d’un ensemble de microLEDs, et d’identifier individuellement les microLEDs non fonctionnelles ou défectueuses.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits.

Claims

Revendications
1 . Procédé de caractérisation d’un ensemble de dispositifs électroluminescents arrangés en matrice sur un substrat (2), ledit procédé comprenant :
• au moins une illumination de l’ensemble de dispositifs électroluminescents par une source de lumière (1) configurée pour générer des porteurs de charge dans les dispositifs électroluminescents,
• au moins une acquisition d’une série d’images de luminescence par un capteur (3) configuré pour capter des rayonnements émis par recombinaison des porteurs de charge générés dans les dispositifs électroluminescents,
• une détermination, d’au moins un paramètre représentatif d’un délai d’électroluminescence , ledit délai d’électroluminescence correspondant sensiblement au début d’une émission de rayonnements par électroluminescence du dispositif électroluminescent donné.
2. Procédé selon la revendication précédente comprenant en outre une détermination, à partir de la série d’images de luminescence et pour un dispositif électroluminescent donné de l’ensemble de dispositifs électroluminescents, d’une pluralité de valeurs représentatives de luminescence en fonction du temps, la détermination de l’au moins un paramètre représentatif d’un délai d’électroluminescence étant effectuée à partir de ladite pluralité de valeurs représentatives de luminescence en fonction du temps.
3. Procédé selon la revendication 1 comprenant en outre une détermination, à partir de la série d’images de luminescence et pour un dispositif électroluminescent donné de l’ensemble de dispositifs électroluminescents, de valeurs de luminescence en fonction du temps, la détermination de l’au moins un paramètre représentatif d’un délai d’électroluminescence étant effectuée à partir desdites valeurs de luminescence en fonction du temps.
4. Procédé selon la revendication 1 comprenant en outre une détermination, à partir de la série d’images de luminescence et pour un dispositif électroluminescent donné de l’ensemble de dispositifs électroluminescents, d’une courbe de luminescence (20) en fonction du temps, la détermination de l’au moins un paramètre représentatif d’un délai d’électroluminescence étant effectuée à partir de ladite courbe de luminescence (20) en fonction du temps.
5. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la détermination de l’au moins un paramètre représentatif du délai d’électroluminescence comprend :
• une dérivation de la courbe de luminescence (20) de sorte à obtenir une courbe dérivée de luminescence (21), l’au moins un paramètre représentatif du délai d’électroluminescence étant un intervalle AT entre une origine de temps et un temps caractéristique correspondant à un maximum de ladite courbe dérivée de luminescence (21).
6. Procédé selon la revendication précédente comprenant en outre, après détermination de l’au moins un paramètre représentatif du délai d’électroluminescence , un calcul d’efficacité quantique externe EQE selon :
EQE = LEL * AT| où LEL est une contribution d’électroluminescence à une luminescence totale, et AT l’intervalle représentatif du délai d’électroluminescence .
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6 dans lequel la courbe dérivée de luminescence (21) présente au moins un premier pic et un deuxième pic successifs, l’origine de temps étant prise au niveau du premier pic et le temps caractéristique étant pris au niveau du deuxième pic pour déterminer l’intervalle AT.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l’au moins une illumination se présente sous forme d’un signal en escalier comprenant deux marches ou d’un signal pulsé.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la détermination de l’au moins un paramètre représentatif du délai d’électroluminescence comprend :
• une réduction de dimensionnalité de la courbe de luminescence (20), par exemple par un premier algorithme, configurée pour générer un jeu de paramètres statistiques permettant de conserver au moins 90%, de préférence au moins 95%, et de préférence au moins 99% de la variance de la courbe de luminescence (20).
10. Procédé selon la revendication précédente comprenant en outre un calcul d’efficacité quantique externe EQE à partir du jeu de paramètres statistiques, par un deuxième algorithme typiquement basé sur un apprentissage automatique.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’au moins une acquisition est configurée de sorte que lesdites images de la série d’images présentent :
• une résolution spatiale telle que les dispositifs électroluminescents soient individuellement résolus sur lesdites images de luminescence,
• une résolution temporelle inférieure à une durée d’une phase d’émission transitoire des dispositifs électroluminescents.
12. Procédé selon la revendication précédente dans lequel l’au moins une acquisition est configurée de sorte que la série d’images de luminescence comprenne au moins cinq images de luminescence lors de la phase d’émission transitoire des dispositifs électroluminescents.
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’au moins une acquisition de la série d’images de luminescence est effectuée avec un temps d’acquisition inférieur ou égal à 500 ns pour chaque image de la série d’images de luminescence.
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les images de luminescence présentent une résolution spatiale inférieure ou égale au micromètre.
15. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’au moins une illumination comprend une pluralité de puises d’illuminations, et dans lequel l’au moins une acquisition d’une série d’image comprend l’acquisition d’une image de luminescence associée à chaque puise de la pluralité de puises d’illumination.
16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel chaque acquisition est effectuée à un instant ti = tO + i*ôt où tO est le début d’un puise d’illumination de la pluralité de puises d’illuminations, avec 50 ns < ôt < 500 ns, pour i variant de 1 à n.
17. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’au moins une, ou le cas échéant chaque acquisition est effectuée après une série de deux puises d’illuminations consécutifs.
18. Système de caractérisation d’un ensemble de dispositifs électroluminescents arrangés en matrice sur un substrat (2), ledit système comprenant :
• une source de lumière (1) configurée pour générer des porteurs de charge dans les dispositifs électroluminescents,
• un capteur (3) configuré pour capter des rayonnements émis par recombinaison des porteurs de charge générés dans les dispositifs électroluminescents,
• un contrôleur (4) configuré pour contrôler une illumination de la source de lumière (1), et pour acquérir une série d’images de luminescence par le capteur (3),
• un module de traitement configuré pour :
- déterminer une courbe de luminescence (20) en fonction du temps à partir de la série d’images de luminescence et pour un dispositif électroluminescent donné de l’ensemble de dispositifs électroluminescents, et pour
- déterminer à partir de ladite courbe de luminescence (20) au moins un paramètre représentatif d’un délai d’électroluminescence , ledit délai d’électroluminescence correspondant sensiblement au début d’une émission de rayonnements par électroluminescence du dispositif électroluminescent donné.
19. Système selon la revendication précédente dans lequel le capteur (3) présente une taille de pixel inférieure à une dimension caractéristique des dispositifs électroluminescents, ledit capteur (3) présentant typiquement une résolution spatiale inférieure ou égale au micromètre.
20. Système selon l’une quelconque des revendications 18 à 19 dans lequel le capteur (3) présente une résolution temporelle inférieure ou égal à 500 ns.
21. Système selon l’une quelconque des revendications 18 à 20 dans lequel la source de lumière (1) est pulsée, et dans lequel le contrôleur (4) est configuré pour synchroniser l’acquisition de séries d’images de luminescence par le capteur (3) avec des puises d’illumination de la source de lumière (1) pulsée.
22. Système selon l’une quelconque des revendications 18 à 21 comprenant en outre un dispositif de suivi (9) configuré pour suivre une dérive dans le temps de l’illumination par la source de lumière (1), et dans lequel le contrôleur (4) est configuré pour compenser ou prendre en compte ladite dérive.
23. Système selon l’une quelconque des revendications 18 à 22 comprenant en outre une photodiode (93) configurée pour acquérir un signal de luminescence moyen émis par l’ensemble des dispositifs électroluminescents, non résolu spatialement, ladite photodiode (93) présentant une résolution temporelle de l’ordre de la nanoseconde.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0864652A (ja) * 1994-08-26 1996-03-08 Hitachi Cable Ltd エピタキシャルウェハの検査方法
US6373069B1 (en) * 1998-09-17 2002-04-16 Kabushiki Kaisha Toshiba Method for evaluating an epitaxial wafer for a light emitting device, recording medium readable by a computer and epitaxial wafer for a light emitting device
WO2012176106A2 (fr) * 2011-06-24 2012-12-27 Kla-Tencor Corporation Méthode et appareil d'inspection de dispositifs semi-conducteurs électroluminescents par l'imagerie de photoluminescence
US9823198B2 (en) 2013-09-14 2017-11-21 Kla-Tencor Corporation Method and apparatus for non-contact measurement of internal quantum efficiency in light emitting diode structures
US20190317021A1 (en) * 2018-04-13 2019-10-17 Applied Materials, Inc. Metrology for oled manufacturing using photoluminescence spectroscopy
US11150189B1 (en) * 2019-09-03 2021-10-19 Innolux Corporation Methods of manufacturing a light source carrier and an electronic device, and a light source qualification method

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0864652A (ja) * 1994-08-26 1996-03-08 Hitachi Cable Ltd エピタキシャルウェハの検査方法
US6373069B1 (en) * 1998-09-17 2002-04-16 Kabushiki Kaisha Toshiba Method for evaluating an epitaxial wafer for a light emitting device, recording medium readable by a computer and epitaxial wafer for a light emitting device
WO2012176106A2 (fr) * 2011-06-24 2012-12-27 Kla-Tencor Corporation Méthode et appareil d'inspection de dispositifs semi-conducteurs électroluminescents par l'imagerie de photoluminescence
US9823198B2 (en) 2013-09-14 2017-11-21 Kla-Tencor Corporation Method and apparatus for non-contact measurement of internal quantum efficiency in light emitting diode structures
US20190317021A1 (en) * 2018-04-13 2019-10-17 Applied Materials, Inc. Metrology for oled manufacturing using photoluminescence spectroscopy
US11150189B1 (en) * 2019-09-03 2021-10-19 Innolux Corporation Methods of manufacturing a light source carrier and an electronic device, and a light source qualification method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KIM JONGSEOK ET AL: "Probeless Estimation of Electroluminescence Intensities Based on Photoluminescence Measurements of GaN-Based Light-Emitting Diodes", CURRENT OPTICS AND PHOTONICS, April 2021 (2021-04-01), Washington, pages 173 - 179, XP093126732, Retrieved from the Internet <URL:https://opg.optica.org/directpdfaccess/8e62c695-d88e-427c-b5dac0e932f822b0_450483/copp-5-2-173.pdf?da=1&id=450483&seq=0&mobile=no> [retrieved on 20240202], DOI: 10.3807/COPP.2021.5.2.173 *

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