超高分辨率Micro-LED顯示器作為一種可行的自發光顯示器技術正在興起。具有數百萬像素的μLED顯示器面臨著幾個關鍵問題：LED制造和轉移過程中的保真度、工藝控制和缺陷分析。在這里，我們研究了兩種無損檢測方法，即光致發光和陰極發光成像，并將它們與電致發光圖像進行比較，以驗證LED的保真度，并評估這些方法作為缺陷分析的潛在工具。我們的實驗顯示，利用陰極發光成像作為分析工具提供了豐富的數據，可以識別和分類μLED顯示器制造過程中與電致發光相對應的常見缺陷。然而，光致發光成像不是保真度分析的有效方法，但確實提供了關于干蝕刻均勻性的信息。

      微型發光二極管（Micro-LED）是下一代顯示器的一種很有前途的技術，因為它們具有高亮度和高效率、色域覆蓋率和自發光設計。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并用于演示，但很少有商用Micro-LED顯示器。大多數應用需要紅色、綠色、和藍色（RGB）像素集成，這目前不可能從完全自發射設計的單個外延生長的LED晶圓中實現。綠色和藍色發射通常都來自具有InxGa1?xN發射層的GaN外延疊層，其中銦含量決定帶隙。然而，性能最好的紅色發射器件，來自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濟又穩健的解決方案。通過利用量子限制斯塔克效應和應變調制這兩個發射層，顯示了具有單片集成的綠色和藍色發射。InGaN和InGaAs的生長方法和襯底要求的根本差異使單片集成復雜化，通過納米線生長的選擇性區域外延是一個顯著的例外。

       在整個制造過程中，未激活像素可能由許多缺陷機制引起。例如，由于轉移過程中LED損壞或LED與背板的固定不當，轉移可能會失敗。此外，LED側壁的鈍化不當可能導致陰極和陽極之間短路，臺面制造或重新沉積GaN/GaAs相關化合物過程中的LED氯基干蝕刻相關損壞也可能導致短路。布線或互連中的缺陷也可能導致像素不能激活。對于其中的很多缺陷的分析，主要方法是電致發光（EL）成像和光學質量檢查。不幸的是，在顯示器完全組裝好之后才能執行此操作，然后決定修復或丟棄。檢測像素損傷的非破壞性方法將顯著提高產量和制造質量，同時降低制造成本。光致發光（PL）成像已被用作半導體器件的計量和診斷工具，以表征光發射和電荷載流子特性。它也被用作半導體設備的缺陷診斷工具，將其視為Micro-LED缺陷檢測的一種有前途的方法。陰極發光（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成像作為兩種無損檢測方法在Micro-LED顯示器中短路相關缺陷的可行性。

       在本研究中，我們使用了在微圖案化藍寶石上外延生長的GaN和InGaN的市售藍色LED晶圓（448nm中心波長）。外延生長疊層由未摻雜的GaN、n型GaN、多量子阱（MQW）和p型GaN組成。每個量子阱包含在未摻雜的GaN勢壘之間的幾nm厚的InGaN發射區。晶圓首先通過機械研磨減薄至約200μm厚，并隱形切割成10×10mm²的裸片進行加工。然后用PECVD 沉積500nm的SiO₂涂覆每個裸片以在LED形成期間用作硬掩模。用LOR5A和S1805涂覆SiO₂以進行雙層抗蝕劑剝離工藝。在直接寫入模式下使用DWL66+對抗蝕劑進行構圖，以產生每個裸片200個邊長為5、10、15、20、25、50、100和500μm的方形LED。每個裸片有25個每種尺寸的LED；在溶劑浴中以電子束沉積并剝離50nm的鉻。在Oxford 100干式蝕刻機中使用CHF₃和氬氣對SiO₂硬掩模進行圖案化。在GaN蝕刻之前對鉻的剩余部分進行濕法蝕刻，以防止再沉積的鉻污染LED側壁。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場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）拍攝的。使用二次電子（SE）探測器和光電倍增管拍攝圖像。樣品被固定在一個短截線上，其中n-GaN通過導電碳帶電連接到地。SE探測器用于定位和驗證LED結構，光電倍增管探測器用于收集CL圖像。使用LEICASP8受激發射損耗顯微鏡記錄PL圖像。激發源是405nm二極管激光器，其被編程為在裸片的有源區域上進行光柵掃描。405nm激光線足夠強大以將電子激發到InGaN阱中的導帶，但不激發更寬的帶隙GaN。圖像是從光電倍增管傳感器獲取的，該傳感器具有設置在425和475nm之間的帶通濾波器，以去除激發源反射和背景噪聲。對于這兩幅圖像，都記錄了未激活像素的數量和位置。

       由于缺乏載流子傳輸，PL激發不受蝕刻LED側壁上短路缺陷的影響。InGaN量子阱內的電子被405nm的光激發，并且在弛豫時顯示出發射，而與短路的存在無關。CL圖像是全色的，因此對光譜不敏感，但顯示定性發光強度。在校準的系統中，晶圓或裸片之間的定量比較是可能的，但由于多個用戶在幾天內進行圖像采集，因此無法進行。圖3B顯示了圖3A中顯示的同一模具的示例圖像。亮白色區域代表強烈的發光。具有很少發光或沒有發光的LED指示導致陽極和陰極之間的電短路的缺陷，從而在發射InGaNMQW周圍提供并聯電阻電流返回路徑。否則，從FESEM的槍注入的電子將通過InGaN層返回地面，并且將觀察到發射。

       為了突出這一現象，圖7顯示了25個像素和四個無損圖像。圖7A中的PL圖像顯示出均勻的發光，并且預測該陣列中沒有缺陷。圖7B中的CL圖像顯示了各種對比度水平，我們將其解釋為短路相關缺陷的可靠性標記，用于蝕刻相關損傷。大多數像素顯示出非常明亮的發光，可以預測沒有損壞。幾個像素顯示中等亮度，而一個像素顯示非常低的亮度。如Engelsen等人所詳細描述的，所看到的模糊效應是由于InGaNMQW中的長載流子壽命和短像素積分時間。32與圖7C中的EL圖像相比，我們觀察到五個缺陷像素，其中在制造完成前，CL成像僅正確預測了一個缺陷，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中的一個像素明顯比其余像素亮。大多數具有中等亮度，少數具有減弱的發光。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像素對應于缺陷。一個差異是，圖7C中行的死像素似乎并沒有被CL圖像預測到。

圖7 25張500×500μm²像素圖像。（A） 臺面蝕刻后的PL圖像。（B） 臺面蝕刻后的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