阴极发光（CL）、光致发光（PL）和电致发光（EL）在Micro-LED显示器的早期缺陷识别

         超高分辨率Micro-LED显示器作为一种可行的自发光显示器技术正在兴起。具有数百万像素的μLED显示器面临着几个关键问题：LED制造和转移过程中的保真度、工艺控制和缺陷分析。在这里，我们研究了两种无损检测方法，即光致发光和阴极发光成像，并将它们与电致发光图像进行比较，以验证LED的保真度，并评估这些方法作为缺陷分析的潜在工具。我们的实验显示，利用阴极发光成像作为分析工具提供了丰富的数据，可以识别和分类μLED显示器制造过程中与电致发光相对应的常见缺陷。然而，光致发光成像不是保真度分析的有效方法，但确实提供了关于干蚀刻均匀性的信息。

       微型发光二极管（Micro-LED）是下一代显示器的一种很有前途的技术，因为它们具有高亮度和高效率、色域覆盖率和自发光设计。一些高清晰度（HD）和超高清（UHD）显示器的原型器件已被制作出来并用于演示，但很少有商用Micro-LED显示器。大多数应用需要红色、绿色、和蓝色（RGB）像素集成，这目前不可能从完全自发射设计的单个外延生长的LED晶圆中实现。绿色和蓝色发射通常都来自具有InxGa1−xN发射层的GaN外延叠层，其中铟含量决定带隙。然而，性能最好的红色发射器件，来自InGaAs外延叠层。将这些不同的外延叠层集成到用于RGB显色的单个显示器背板上是非常困难的，这促使许多研究人员寻找到一种既经济又稳健的解决方案。通过利用量子限制斯塔克效应和应变调制这两个发射层，显示了具有单片集成的绿色和蓝色发射。InGaN和InGaAs的生长方法和衬底要求的根本差异使单片集成复杂化，通过纳米线生长的选择性区域外延是一个显著的例外。

       在整个制造过程中，未激活像素可能由许多缺陷机制引起。例如，由于转移过程中LED损坏或LED与背板的固定不当，转移可能会失败。此外，LED侧壁的钝化不当可能导致阴极和阳极之间短路，台面制造或重新沉积GaN/GaAs相关化合物过程中的LED氯基干蚀刻相关损坏也可能导致短路。布线或互连中的缺陷也可能导致像素不能激活。对于其中的很多缺陷的分析，主要方法是电致发光（EL）成像和光学质量检查。不幸的是，在显示器完全组装好之后才能执行此操作，然后决定修复或丢弃。检测像素损伤的非破坏性方法将显著提高产量和制造质量，同时降低制造成本。光致发光（PL）成像已被用作半导体器件的计量和诊断工具，以表征光发射和电荷载流子特性。它也被用作半导体设备的缺陷诊断工具，将其视为Micro-LED缺陷检测的一种有前途的方法。阴极发光（CL）成像同样是表征纳米和低维器件带隙特征的有用成像工具。在这里，我们研究了PL和CL成像作为两种无损检测方法在Micro-LED显示器中短路相关缺陷的可行性。

       在本研究中，我们使用了在微图案化蓝宝石上外延生长的GaN和InGaN的市售蓝色LED晶圆（448nm中心波长）。外延生长叠层由未掺杂的GaN、n型GaN、多量子阱（MQW）和p型GaN组成。每个量子阱包含在未掺杂的GaN势垒之间的几nm厚的InGaN发射区。晶圆首先通过机械研磨减薄至约200μm厚，并隐形切割成10×10mm²的裸片进行加工。然后用PECVD 沉积500nm的SiO₂涂覆每个裸片以在LED形成期间用作硬掩模。用LOR5A和S1805涂覆SiO₂以进行双层抗蚀剂剥离工艺。在直接写入模式下使用DWL66+对抗蚀剂进行构图，以产生每个裸片200个边长为5、10、15、20、25、50、100和500μm的方形LED。每个裸片有25个每种尺寸的LED；在溶剂浴中以电子束沉积并剥离50nm的铬。在Oxford 100干式蚀刻机中使用CHF3和氩气对SiO₂硬掩模进行图案化。在GaN蚀刻之前对铬的剩余部分进行湿法蚀刻，以防止再沉积的铬污染LED侧壁。然后使用Cl2和BCl3的混合物将GaN干法蚀刻至1100nm的深度，以暴露MQW下方的n-GaN层。剩余的SiO₂在10∶1缓冲氧化物蚀刻剂（BOE）中被湿法蚀刻。然后在成像之前用丙酮和氧等离子体清洁样品。图1显示了像素的示意图和SEM图像。

       CL图像是使用蔡司Supra35VP场发射扫描电子显微镜（FESEM）拍摄的。使用二次电子（SE）探测器和光电倍增管拍摄图像。样品被固定在一个短截线上，其中n-GaN通过导电碳带电连接到地。SE探测器用于定位和验证LED结构，光电倍增管探测器用于收集CL图像。使用LEICASP8受激发射损耗显微镜记录PL图像。激发源是405nm二极管激光器，其被编程为在裸片的有源区域上进行光栅扫描。405nm激光线足够强大以将电子激发到InGaN阱中的导带，但不激发更宽的带隙GaN。图像是从光电倍增管传感器获取的，该传感器具有设置在425和475nm之间的带通滤波器，以去除激发源反射和背景噪声。对于这两幅图像，都记录了未激活像素的数量和位置。

       由于缺乏载流子传输，PL激发不受蚀刻LED侧壁上短路缺陷的影响。InGaN量子阱内的电子被405nm的光激发，并且在弛豫时显示出发射，而与短路的存在无关。CL图像是全色的，因此对光谱不敏感，但显示定性发光强度。在校准的系统中，晶圆或裸片之间的定量比较是可能的，但由于多个用户在几天内进行图像采集，因此无法进行。图3B显示了图3A中显示的同一模具的示例图像。亮白色区域代表强烈的发光。具有很少发光或没有发光的LED指示导致阳极和阴极之间的电短路的缺陷，从而在发射InGaNMQW周围提供并联电阻电流返回路径。否则，从FESEM的枪注入的电子将通过InGaN层返回地面，并且将观察到发射。 图3无损图像。（A）200个LED的PL合成图像。几个图像被缝合在一起以覆盖整个设备区域。此图中的所有指示灯均点亮。（B） 来自（A）的相同200个LED的CLSEM图像。尽管大多数LED都会发光，但也有一些是不发光的。

        为了突出这一现象，图7显示了25个像素和四个无损图像。图7A中的PL图像显示出均匀的发光，并且预测该阵列中没有缺陷。图7B中的CL图像显示了各种对比度水平，我们将其解释为短路相关缺陷的可靠性标记，用于蚀刻相关损伤。大多数像素显示出非常明亮的发光，可以预测没有损坏。几个像素显示中等亮度，而一个像素显示非常低的亮度。如Engelsen等人所详细描述的，所看到的模糊效应是由于InGaNMQW中的长载流子寿命和短像素积分时间。32与图7C中的EL图像相比，我们观察到五个缺陷像素，其中在制造完成前，CL成像仅正确预测了一个缺陷，如低亮度像素所示。比较图7B中的CL图像，D显示了像素照明的明显差异。图7D中的一个像素明显比其余像素亮。大多数具有中等亮度，少数具有减弱的发光。与图7C中的已知缺陷像素相比，我们看到图7D中最亮的像素和最暗的三个像素对应于缺陷。一个差异是，图7C中行的死像素似乎并没有被CL图像预测到。图7 25张500×500μm²像素图像。（A） 台面蚀刻后的PL图像。（B） 台面蚀刻后的CL图像。（C）完成制造和芯片贴装后的EL图像。（D） 完成制造和芯片贴装后的CL图像

       自发射Micro-LED显示器仍然是一种昂贵且特定的解决方案，这是由于难以生产具有数百万像素、没有未激活LED以及将多种颜色集成到一个背板上的显示器。通过利用CL成像，可以可靠地预测由于干蚀刻相关的损坏而导致单个像素或LED在EL下变得不活跃的Micro-LED短路缺陷。PL成像可以从可能阻碍进一步制造工艺步骤的蚀刻工艺中识别再沉积的InGaN。PL成像无法识别导致LED短路的蚀刻相关损伤。通过CL成像和亮度测量可以简单地识别额外的布线和接触缺陷。CL的这两种方法是快速和无损的测量，为微型LED显示器提供保真度信息。