超高分辨率Micro-LED顯示器作為一種可行的自發(fā)光顯示器技術(shù)正在興起。具有數(shù)百萬(wàn)像素的μLED顯示器面臨著幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：LED制造和轉(zhuǎn)移過(guò)程中的保真度、工藝控制和缺陷分析。在這里，我們研究了兩種無(wú)損檢測(cè)方法，即光致發(fā)光和陰極發(fā)光成像，并將它們與電致發(fā)光圖像進(jìn)行比較，以驗(yàn)證LED的保真度，并評(píng)估這些方法作為缺陷分析的潛在工具。我們的實(shí)驗(yàn)顯示，利用陰極發(fā)光成像作為分析工具提供了豐富的數(shù)據(jù)，可以識(shí)別和分類μLED顯示器制造過(guò)程中與電致發(fā)光相對(duì)應(yīng)的常見缺陷。然而，光致發(fā)光成像不是保真度分析的有效方法，但確實(shí)提供了關(guān)于干蝕刻均勻性的信息。

      微型發(fā)光二極管（Micro-LED）是下一代顯示器的一種很有前途的技術(shù)，因?yàn)樗鼈兙哂懈吡炼群透咝?、色域覆蓋率和自發(fā)光設(shè)計(jì)。一些高清晰度（HD）和超高清（UHD）顯示器的原型器件已被制作出來(lái)并用于演示，但很少有商用Micro-LED顯示器。大多數(shù)應(yīng)用需要紅色、綠色、和藍(lán)色（RGB）像素集成，這目前不可能從完全自發(fā)射設(shè)計(jì)的單個(gè)外延生長(zhǎng)的LED晶圓中實(shí)現(xiàn)。綠色和藍(lán)色發(fā)射通常都來(lái)自具有InxGa1?xN發(fā)射層的GaN外延疊層，其中銦含量決定帶隙。然而，性能最好的紅色發(fā)射器件，來(lái)自InGaAs外延疊層。將這些不同的外延疊層集成到用于RGB顯色的單個(gè)顯示器背板上是非常困難的，這促使許多研究人員尋找到一種既經(jīng)濟(jì)又穩(wěn)健的解決方案。通過(guò)利用量子限制斯塔克效應(yīng)和應(yīng)變調(diào)制這兩個(gè)發(fā)射層，顯示了具有單片集成的綠色和藍(lán)色發(fā)射。InGaN和InGaAs的生長(zhǎng)方法和襯底要求的根本差異使單片集成復(fù)雜化，通過(guò)納米線生長(zhǎng)的選擇性區(qū)域外延是一個(gè)顯著的例外。

       在整個(gè)制造過(guò)程中，未激活像素可能由許多缺陷機(jī)制引起。例如，由于轉(zhuǎn)移過(guò)程中LED損壞或LED與背板的固定不當(dāng)，轉(zhuǎn)移可能會(huì)失敗。此外，LED側(cè)壁的鈍化不當(dāng)可能導(dǎo)致陰極和陽(yáng)極之間短路，臺(tái)面制造或重新沉積GaN/GaAs相關(guān)化合物過(guò)程中的LED氯基干蝕刻相關(guān)損壞也可能導(dǎo)致短路。布線或互連中的缺陷也可能導(dǎo)致像素不能激活。對(duì)于其中的很多缺陷的分析，主要方法是電致發(fā)光（EL）成像和光學(xué)質(zhì)量檢查。不幸的是，在顯示器完全組裝好之后才能執(zhí)行此操作，然后決定修復(fù)或丟棄。檢測(cè)像素?fù)p傷的非破壞性方法將顯著提高產(chǎn)量和制造質(zhì)量，同時(shí)降低制造成本。光致發(fā)光（PL）成像已被用作半導(dǎo)體器件的計(jì)量和診斷工具，以表征光發(fā)射和電荷載流子特性。它也被用作半導(dǎo)體設(shè)備的缺陷診斷工具，將其視為Micro-LED缺陷檢測(cè)的一種有前途的方法。陰極發(fā)光（CL）成像同樣是表征納米和低維器件帶隙特征的有用成像工具。在這里，我們研究了PL和CL成像作為兩種無(wú)損檢測(cè)方法在Micro-LED顯示器中短路相關(guān)缺陷的可行性。

       在本研究中，我們使用了在微圖案化藍(lán)寶石上外延生長(zhǎng)的GaN和InGaN的市售藍(lán)色LED晶圓（448nm中心波長(zhǎng)）。外延生長(zhǎng)疊層由未摻雜的GaN、n型GaN、多量子阱（MQW）和p型GaN組成。每個(gè)量子阱包含在未摻雜的GaN勢(shì)壘之間的幾nm厚的InGaN發(fā)射區(qū)。晶圓首先通過(guò)機(jī)械研磨減薄至約200μm厚，并隱形切割成10×10mm²的裸片進(jìn)行加工。然后用PECVD 沉積500nm的SiO₂涂覆每個(gè)裸片以在LED形成期間用作硬掩模。用LOR5A和S1805涂覆SiO₂以進(jìn)行雙層抗蝕劑剝離工藝。在直接寫入模式下使用DWL66+對(duì)抗蝕劑進(jìn)行構(gòu)圖，以產(chǎn)生每個(gè)裸片200個(gè)邊長(zhǎng)為5、10、15、20、25、50、100和500μm的方形LED。每個(gè)裸片有25個(gè)每種尺寸的LED；在溶劑浴中以電子束沉積并剝離50nm的鉻。在Oxford 100干式蝕刻機(jī)中使用CHF₃和氬氣對(duì)SiO₂硬掩模進(jìn)行圖案化。在GaN蝕刻之前對(duì)鉻的剩余部分進(jìn)行濕法蝕刻，以防止再沉積的鉻污染LED側(cè)壁。然后使用Cl₂和BCl₃的混合物將GaN干法蝕刻至1100nm的深度，以暴露MQW下方的n-GaN層。剩余的SiO₂在10∶1緩沖氧化物蝕刻劑（BOE）中被濕法蝕刻。然后在成像之前用丙酮和氧等離子體清潔樣品。圖1顯示了像素的示意圖和SEM圖像。

        CL圖像是使用蔡司Supra35VP場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）拍攝的。使用二次電子（SE）探測(cè)器和光電倍增管拍攝圖像。樣品被固定在一個(gè)短截線上，其中n-GaN通過(guò)導(dǎo)電碳帶電連接到地。SE探測(cè)器用于定位和驗(yàn)證LED結(jié)構(gòu)，光電倍增管探測(cè)器用于收集CL圖像。使用LEICASP8受激發(fā)射損耗顯微鏡記錄PL圖像。激發(fā)源是405nm二極管激光器，其被編程為在裸片的有源區(qū)域上進(jìn)行光柵掃描。405nm激光線足夠強(qiáng)大以將電子激發(fā)到InGaN阱中的導(dǎo)帶，但不激發(fā)更寬的帶隙GaN。圖像是從光電倍增管傳感器獲取的，該傳感器具有設(shè)置在425和475nm之間的帶通濾波器，以去除激發(fā)源反射和背景噪聲。對(duì)于這兩幅圖像，都記錄了未激活像素的數(shù)量和位置。

       由于缺乏載流子傳輸，PL激發(fā)不受蝕刻LED側(cè)壁上短路缺陷的影響。InGaN量子阱內(nèi)的電子被405nm的光激發(fā)，并且在弛豫時(shí)顯示出發(fā)射，而與短路的存在無(wú)關(guān)。CL圖像是全色的，因此對(duì)光譜不敏感，但顯示定性發(fā)光強(qiáng)度。在校準(zhǔn)的系統(tǒng)中，晶圓或裸片之間的定量比較是可能的，但由于多個(gè)用戶在幾天內(nèi)進(jìn)行圖像采集，因此無(wú)法進(jìn)行。圖3B顯示了圖3A中顯示的同一模具的示例圖像。亮白色區(qū)域代表強(qiáng)烈的發(fā)光。具有很少發(fā)光或沒(méi)有發(fā)光的LED指示導(dǎo)致陽(yáng)極和陰極之間的電短路的缺陷，從而在發(fā)射InGaNMQW周圍提供并聯(lián)電阻電流返回路徑。否則，從FESEM的槍注入的電子將通過(guò)InGaN層返回地面，并且將觀察到發(fā)射。

       為了突出這一現(xiàn)象，圖7顯示了25個(gè)像素和四個(gè)無(wú)損圖像。圖7A中的PL圖像顯示出均勻的發(fā)光，并且預(yù)測(cè)該陣列中沒(méi)有缺陷。圖7B中的CL圖像顯示了各種對(duì)比度水平，我們將其解釋為短路相關(guān)缺陷的可靠性標(biāo)記，用于蝕刻相關(guān)損傷。大多數(shù)像素顯示出非常明亮的發(fā)光，可以預(yù)測(cè)沒(méi)有損壞。幾個(gè)像素顯示中等亮度，而一個(gè)像素顯示非常低的亮度。如Engelsen等人所詳細(xì)描述的，所看到的模糊效應(yīng)是由于InGaNMQW中的長(zhǎng)載流子壽命和短像素積分時(shí)間。32與圖7C中的EL圖像相比，我們觀察到五個(gè)缺陷像素，其中在制造完成前，CL成像僅正確預(yù)測(cè)了一個(gè)缺陷，如低亮度像素所示。比較圖7B中的CL圖像，D顯示了像素照明的明顯差異。圖7D中的一個(gè)像素明顯比其余像素亮。大多數(shù)具有中等亮度，少數(shù)具有減弱的發(fā)光。與圖7C中的已知缺陷像素相比，我們看到圖7D中最亮的像素和最暗的三個(gè)像素對(duì)應(yīng)于缺陷。一個(gè)差異是，圖7C中行的死像素似乎并沒(méi)有被CL圖像預(yù)測(cè)到。

圖7 25張500×500μm²像素圖像。（A） 臺(tái)面蝕刻后的PL圖像。（B） 臺(tái)面蝕刻后的CL圖像。（C）完成制造和芯片貼裝后的EL圖像。（D） 完成制造和芯片貼裝后的CL圖像