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APD-QE 先進光感測器量子效率光學儀

  • 使用均勻光斑的「照度模式」(Irradiance Mode) 符合ASTM E1021
  • 取代傳統聚焦小光斑,可以測試 um 等級的光電偵測器。
  • 均勻光斑可以克服色散差與像差的問題,可準確測得 EQE 曲線
  • 可搭配多種探針台系統,實現非破壞性的快速測試。
  • 整合光學與測試系統,提高系統搭建效率。
  • 一鍵式自動化測試軟體,自動全光譜校正與檢查,工作效率高。
  • 測試特性:
    • 外部量子效率 EQE
    • 光譜回應 SR
    •  I-V 曲線檢查
    • NEP 光譜檢查
    •  D* 光譜檢查
    •  Noise-current-frequency 回應圖
      (A/Hz-1/2; 0.01Hz~1,000Hz)
    • Flicker noise, Johnson Noise, Shot noise 分析
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Table of Contents

描述

隨著 5G 與移動裝置的興起與普及,越來越多新型光感測器被應用於我們的日常生活中。

為了能更好的應用在行動裝置上,這些先進光感測器的組件感光面積越做越小。但這些應用卻對先進光感測器的光感測性能要求卻越來越高。在感光面積微縮的過程中,也帶來量子效率精准檢查的挑戰。

例如,傳統聚光型小光斑在不同波長下,色散差造成焦點位移可到 mm 等級。

難以將所有的光子都聚焦到微米等級的感光面積中。因此,難以準確測得全光譜量子效率曲線。

APD-QE 採用獨家光束空間均勻化技術,利用 ASTM 標準的「Irradiance Mode」測試方式,與各種先進探針台形成完整的微米級光感測器全光譜量子效率測試解決方案。APD-QE 已被應用于多種先進光感測器的測試中,例如在iPhone光達與其多種光感測器、Apple Watch 血氧光感測器、TFT 影像感測器、有源主動圖元感測器(APS)、高靈敏度間接轉換 X 射線感測器等。

傳統 QE 系統在新型光電偵測器測試的挑戰 :

  1. 市面上的量子效率系統多為「功率模式」。
  2. 隨行動裝置的大量普及,先進光電偵測器如 APD、SPAD、ToF 等,元件收光面積均微型化,有效收光面積由數十微米到數百微米 (10um ~ 200um)。
  3. 光束聚焦的「功率模式」 ,用來檢查小面積的先進光電偵測器的問題:
    • 難以將所有光子,完全打進微米等級的有效收光面積(無法達到功率模式的要求)=> 絕對 EQE 值難以取得。
    • 在聚光模式下,難以克服光學色散差、球面像差等帶來的檢查誤差。=> EQE 光譜曲線不正確。
    • 難以整合探針台。

光焱科技獨家檢測技術

客製化光斑尺寸與光強度

光焱科技 APD-QE 光感測器量子效率檢查系統

在光斑直徑 25mm、工作距離 200mm 條件下檢查,可以達到光強度與光均勻度如下。在波長 530nm 時,光強度可以達到 82.97uW/(cm2)。

WL (nm)半高寬 (nm)光均 U%=(M-m)/(M+m)
5mm×5mm3mm×3mm
47017.651.6%1.0%
53020.131.6%1.2%
63019.851.6%0.9%
100038.891.2%0.5%
140046.051.0%0.5%
160037.401.4%0.7%

在光斑直徑 25mm、工作距離 200mm 條件下,APD-QE 光感測器量子效率測試系統測得的光均勻度。

定光子數控制功能

APD-QE 光感測器量子效率檢查系統具有「定光子數」功能 (選配),使用者可以透過控制各個單色光的光子數,讓各波長的光子數都一樣,並進行測試。這也是光焱科技 APD-QE 光感測器量子效率檢查系統的獨家技術,其他廠家都做不到。

客戶在不同的 constant photon flux 條件下,進行的光譜測試結果。

使用定光子數控制模式 (CP 控制模式),光子數變異可以 < 1%

以上圖為例,灰色的 Normal 線是氙燈光源在各波長下的光強度分布,呈現氙燈的光譜曲線特徵。如採用 CP 控制模式,可控制不同光子數在不同波長下,保持一致的輸出特性。以橘色線 CP=15000 為例,在不同波長下輸出的光子數都是 15,000 photons/s/um2

定光子數控制功能

>a-Si photo-FET 樣品

不同光強條件下,測試出來的不同光譜響應確實會不一樣。

>OPV或是鈣鈦礦PV樣品

對於 OPV 或是鈣鈦礦 PV 樣品,一般模式或是 CP 控制模式的測試結果沒有差異

應用領域

LiDAR 中的光電感測器

InGaAs 光電二極體 / SPAD

Apple Watch的光電感測器 高增益傳感和成像的光電二極體門控電晶體
高光電導增益和填充因數光學感測器 高靈敏度間接轉換 X 射線探測器表徵 矽光子學
– InGaAs APD

可檢測項目

可檢測4G/5G/光通訊/顯示器面板的先進光電二極體/光偵測器Photodiode/ Photodetector的相關特性:

外部量子效率光譜測量 光譜響應測量

I-V曲線測量

  • 不同光強I-V曲線測量
  • 定電流/電壓,電壓/電流隨時間變化測試
NEP光譜測量
D*光譜測量 Noise-current-frequency響應圖 (A/Hz-1/2; 0.01Hz~1,000Hz) Flicker noise, Johnson Noise, Shot noise 分析  

設備規格

系統 規格
光源與光束傳遞裝置系統 高穩定Xe燈光源
高效率、高反射率橢圓反射鏡集光系統
自動濾片輪系統
穩定供電電源
光源不穩定性 < 1%
燈源計時器
單色光模組:波長範圍 300~1100 nm
均光耦合模組:均光面積:≦5×5 mm、均勻度> 99%
准直半角: < 3°
光能量校正模組 光強偵測器Si
波長範圍: 300-1100nm(可擴展到 2500nm)
具追溯報告, 可溯源至NIST
客製化暗箱 暗箱具備雜訊屏蔽功能
暗箱不含連接線與轉接頭,需另購
規格請洽光焱專業人員討論之
控制器 工業電腦(含螢幕、鍵盤滑鼠)

光斑規格

採用獨家專利傅立葉光學元件均光系統,可將單色光光強度空間分佈均勻化。

在 10mm x 10mm 面積以 5 x 5 檢查光強度分佈,不均勻度在 470nm、530nm、630nm、850nm 均可小於 1%。
而在 20mm x 20mm 面積以 10 x 10 矩陣檢查光強度分佈,不均勻度可以小於 4%。

APD-QE高均勻度光斑

軟體功能

獨家研發PDSW 軟體

採用全新 SW-XQE 軟體平臺,可進行多種自動化檢查,包含 EQE、SR、I-V、NEP、D*、頻率雜訊電流圖(A/Hz1/2)、雜訊分析等。

絕對光強校正 光譜響應測量 外部量子效率測量(EQE) Dark IV量測, J0分析 NEP光譜
D* 光譜 Noise-current-frequency響應圖
(A/Hz-1/2)
Flicker noise,
Johnson Noise,
Shot noise 分析

I-V曲線測量

不同光強I-V曲線測量
定電流/電壓,電壓/電流隨時間變化測試
照光條件下

獨立控制操作整體硬體系統及資料讀取

資料保存格式txt

PDSW 軟體採用全新 SW-XQE 軟體平臺,可進行多種自動化檢查,包含 EQE、SR、I-V、NEP、D*、頻率雜訊電流圖(A/Hz1/2)、雜訊分析等。

EQE 測試

  EQE 測試功能,可以進行不同單色光波長測試,並且可自動測試全光譜 EQE

▌I-V 檢查
  軟體可支援多種 SMU 控制,自動進行照I-V 測試以及暗態 I-V 測試,並支援多圖顯示。

軟體可支援多種 SMU 控制,自動進行照光 I-V 測試以及暗態 I-V 測試,並支援多圖顯示。

▌D* 與 NEP

相較於其它 QE 系統,APD-QE 可以直接檢查並得到 D* 與 NEP。

▌頻率-雜訊電流曲線

▌頻率-雜訊電流曲線

▌可升級軟體

升級FETOS軟體操作畫面(選配),可測試3端與4端的Photo-FET組件。

 升級FETOS軟體操作畫面(選配),可測試3端與4端的Photo-FET組件。

選配項目/探針台整合

項目 可選配選項
高精度電壓源電流源傅立葉轉換(FFT)量測模組 1E-12安培量測解析度
1E-14安培量測解析度
1E-16安培量測解析度
樣品載台 XYZ 三軸位移平台
探針台 客製化探針台整合服務
4” 標準探針台 (MPS-4-S)
遮罩暗箱 可客製化

內部整合探針台

APD-QE 系統由於其出色的光學系統設計,可以組合多種探針台。

全波長光譜儀的所有光學元件都集成在精巧的系統中。單色光從光譜儀引導到探針台遮罩盒。

圖片顯示了 MPS-4-S 基本探針台組件,帶有 4 英寸真空吸盤和 4 個帶有低雜訊三軸電纜的探針微定位器。

均光系統與探針台整合
均光系統與探針台整合

內部整合探針台

集成探針台顯微鏡,手動滑塊切換到被測設備的位置。

使用滑動條後,單色光均質器被「固定」在設計位置。 顯微圖像可以顯示在螢幕上,方便使用者進行良好的接觸。

集成探針台顯微鏡,手動滑塊切換到被測設備的位置。使用滑動條後,單色光均質器被「固定」在設計位置。 顯微圖像可以顯示在螢幕上,方便使用者進行良好的接觸。

可客制化整合多種探針台與遮罩暗箱

可客制化整合多種探針台與遮罩暗箱

A. 客制化隔離遮罩箱。
B. 因為先進的 PD 講究回應速度快,所以有效面積就要小(降低電容效應),因此,多會有需要整合探針台的需求。
C. 可整合不同的半導體分析儀如 4200 或 E1500。

系統架構

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