Micro-LED因其高集成度、高亮度、低功耗、自發(fā)光等優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注，有望成為新一代的主流顯示技術(shù)。盡管市場(chǎng)前景廣闊，但Micro-LED顯示產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程卻因整機(jī)成本過高而放緩腳步。導(dǎo)致其成本居高不下的原因之一是制造過程中涉及的有關(guān)材料、器件、工藝等復(fù)雜問題導(dǎo)致了最終的顯示屏像素良率達(dá)不到要求。顯示行業(yè)認(rèn)為Micro-LED顯示屏的像素良率至少要99.99999%才可以保證不影響觀感。提升Micro-LED顯示屏像素良率、避免巨量修復(fù)是降低Micro-LED整機(jī)成本從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。受限于LED外延片的生長(zhǎng)工藝和后續(xù)的晶圓級(jí)芯片加工工藝，難以保證所有Micro-LED芯片的光、電參數(shù)滿足要求。因此，在巨量轉(zhuǎn)移-鍵合之前，對(duì)晶圓級(jí)Micro-LED芯片進(jìn)行檢測(cè)以實(shí)現(xiàn)壞點(diǎn)的攔截就成為提升Micro-LED顯示屏良品率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前，晶圓級(jí)Micro-LED檢測(cè)手段分為接觸型檢測(cè)和無接觸型檢測(cè)。接觸型檢測(cè)的代表性方法為電致發(fā)光檢測(cè)，即通過微型電學(xué)探針分別接觸Micro-LED的兩個(gè)電極并注入電流，記錄LED芯片的電學(xué)性能和發(fā)光性能。無接觸型檢測(cè)的代表性技術(shù)為光致發(fā)光檢測(cè)，該技術(shù)的原理是通過短波長(zhǎng)激發(fā)Micro-LED芯片的多量子阱層實(shí)現(xiàn)發(fā)光，通過光致發(fā)光譜來評(píng)估LED的質(zhì)量。除了這兩種典型的檢測(cè)技術(shù)外，還存在以攝像系統(tǒng)與機(jī)器學(xué)習(xí)為核心的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)、紅外熱成像檢測(cè)、陰極熒光檢測(cè)、飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜檢測(cè)等方法。此外，極具前瞻性的無接觸電致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)也正加速發(fā)展，具有高效率、高準(zhǔn)確率的無接觸電致發(fā)光檢測(cè)將是適配晶圓級(jí)Micro-LED芯片檢測(cè)的極佳方案。目前的檢測(cè)技術(shù)研究百家爭(zhēng)鳴，但尚無對(duì)現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)與分析。

近日，福州大學(xué)、閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室郭太良教授團(tuán)隊(duì)在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus，中文核心期刊）2023年第5期發(fā)表了題為“晶圓級(jí)Micro-LED芯片檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展”的綜述，并被選作當(dāng)期封面文章。郭太良教授、吳朝興教授為該文通訊作者、研究生蘇昊為該文第一作者。該文首先介紹了晶圓級(jí)Micro-LED檢測(cè)時(shí)所需要檢測(cè)的幾個(gè)指標(biāo)，其次詳細(xì)介紹并分析現(xiàn)有的檢測(cè)手段，最后對(duì)LED檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)并提出該領(lǐng)域未來發(fā)展方向的展望。

圖1：《液晶與顯示》2023年第5期封面圖

▍Micro-LED檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

Micro-LED芯片的質(zhì)量是影響Micro-LED顯示屏質(zhì)量的重要因素，是決定Micro-LED顯示的整機(jī)成本能否有效降低并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。然而，受限于LED外延片的生長(zhǎng)工藝和后續(xù)的芯片加工工藝，無法保證所有Micro-LED芯片的光、電參數(shù)滿足要求。因此，在巨量轉(zhuǎn)移之前，對(duì)晶圓級(jí)Micro-LED芯片進(jìn)行檢測(cè)以便實(shí)現(xiàn)壞點(diǎn)的攔截就成為提升Micro-LED顯示屏良品率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，隨著LED芯片的尺寸越來越小，一個(gè)顯示器上所需要的LED芯片數(shù)量也日漸增多。這對(duì)現(xiàn)有的晶圓級(jí)Micro-LED缺陷檢測(cè)手段提出了極高的要求。

目前，晶圓級(jí)Micro-LED檢測(cè)手段分為接觸型檢測(cè)和無接觸型檢測(cè)。接觸型檢測(cè)的代表性方法為電致發(fā)光檢測(cè)，即通過微型電學(xué)探針分別接觸Micro-LED的兩個(gè)電極并注入電流，記錄LED芯片的電學(xué)性能和發(fā)光性能。此外，無接觸型檢測(cè)技術(shù)也在逐漸發(fā)展。無接觸型檢測(cè)的代表性技術(shù)為光致發(fā)光檢測(cè)，該技術(shù)的原理是通過短波長(zhǎng)激發(fā)Micro-LED芯片的多量子阱層實(shí)現(xiàn)發(fā)光，通過光致發(fā)光譜來評(píng)估LED的質(zhì)量。除了這兩種典型的檢測(cè)技術(shù)外，還有以攝像系統(tǒng)與機(jī)器學(xué)習(xí)為核心的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI），以及極具前瞻性的無接觸電致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)。

▍Micro-LED檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

| 接觸型檢測(cè) |

接觸型檢測(cè)的代表性方法為電致發(fā)光檢測(cè)。該檢測(cè)技術(shù)使用的主流方法是使微型探針與Micro-LED的電極進(jìn)行接觸，然后通過在探針上施加直流電壓使外部載流子注入到Micro-LED的發(fā)光層中，使其發(fā)生電致發(fā)光現(xiàn)象，然后收集Micro-LED的工作電壓、亮度、發(fā)光波長(zhǎng)等光電參數(shù)來判斷芯片合格。這種檢測(cè)方式原理簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，但在檢測(cè)過程中要對(duì)探針進(jìn)行垂直移動(dòng)，在進(jìn)行垂直移動(dòng)的過程中會(huì)不可避免地對(duì)Micro-LED芯片的電極、表面，以及探針造成一定程度的損壞。此外，Micro-LED尺寸通常在50 μm以下，這導(dǎo)致探針與Micro-LED芯片電極的對(duì)準(zhǔn)難度也加大，造成檢測(cè)效率低下、成本急劇增加。為此，研究人員從檢測(cè)效率提升、損傷抑制等方面開展研究。

• 檢測(cè)效率提升

設(shè)計(jì)特殊的電極結(jié)構(gòu)并通過顯微鏡對(duì)包含多顆Micro-LED的圖像進(jìn)行處理并篩選出亮度不正常的芯片也可以提高檢測(cè)效率。研究人員提出了一種可以測(cè)量整個(gè)Micro-LED陣列乃至單顆Micro-LED芯片表面亮度分布的檢測(cè)方法。Micro-LED陣列（如圖2（a）所示）由行列電極進(jìn)行選通，因而可以滿足單個(gè)Micro-LED芯片點(diǎn)亮和多個(gè)Micro-LED芯片同時(shí)點(diǎn)亮需求，并在兩種不同情況下使用測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。攝像系統(tǒng)獲取發(fā)光的Micro-LED陣列圖像并由算法系統(tǒng)生成偽彩色圖（如圖2（b）所示），從偽彩色圖可以看出，隨著電流密度增大，Micro-LED表面亮度的均勻性增大。這個(gè)方法在檢測(cè)方面可以精確地表征單顆LED芯片的亮度均勻性情況，也可以同時(shí)表征多顆LED芯片的亮度均勻性情況。不足之處是制作多行多列的電極成本較高，且后期還需要去除這些過渡性的電極。

圖2：（a）Micro-LED陣列的顯微圖像；（b）單個(gè)微型LED芯片的亮度偽彩色圖和3D分布圖
圖源：IEEE ACCESS，2018，6：51329-51336. Fig.7，8

• 損傷抑制

覆蓋與LED芯片電極形狀相適配的透明導(dǎo)電膜可以在測(cè)試過程中保護(hù)LED芯片的電極不被損壞，減少成本，透明導(dǎo)電膜覆蓋LED芯片的示意圖如圖3（a）所示。研究人員提出了一種LED芯片的無損測(cè)試方法。該方法使用了透明導(dǎo)電膜覆蓋待測(cè)LED芯片，測(cè)試針通過導(dǎo)電膜與LED芯片間接接觸，從而避免了傳統(tǒng)針測(cè)中會(huì)出現(xiàn)的針痕問題，如圖3（b）與圖3（c）所示。該導(dǎo)電膜具有透明導(dǎo)電槽，導(dǎo)電槽分為正極導(dǎo)電槽和負(fù)極導(dǎo)電槽，分別對(duì)應(yīng)于LED芯片的正電極和負(fù)電極。其形狀與尺寸與待測(cè)LED芯片一致，深度與待測(cè)LED芯片電極厚度一致，再把這些經(jīng)過特殊制備的透明導(dǎo)電膜蝕刻在絕緣基底上，測(cè)試時(shí)LED芯片的電極嵌入透明導(dǎo)電槽，測(cè)試針再扎到這些與LED正負(fù)電極接觸的區(qū)域，進(jìn)行測(cè)試。這種方案原理簡(jiǎn)單、效果好，但是與諸多使用“介質(zhì)”隔開探針與LED芯片、Micro-LED芯片的方法一樣，一種規(guī)格的導(dǎo)電膜只能適配一種規(guī)格的芯片，適用性低，并且隨著LED芯片尺寸越來越小，制備與之相適配導(dǎo)電介質(zhì)的難度也會(huì)越來越大。

圖3：（a）采用透明導(dǎo)電膜的檢測(cè)原理示意圖；（b）針測(cè)后的LED電極光學(xué)顯微照片；（c）使用透明導(dǎo)電膜進(jìn)行針測(cè)后的LED電極光學(xué)顯微照片
圖源：液晶與顯示,2023, 38(5):582-594. Fig.2
中國(guó)專利：一種LED芯片的無損測(cè)試方法. Fig.2

| 無接觸檢測(cè) |

• 無電學(xué)接觸電致發(fā)光檢測(cè)

2015年，福州大學(xué)郭太良、吳朝興團(tuán)隊(duì)提出了一種晶圓級(jí)Micro-LED芯片無接觸電致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)可以對(duì)晶圓上百萬數(shù)量級(jí)的Micro LED芯片進(jìn)行掃描式、無接觸電致發(fā)光檢測(cè)。無接觸電致發(fā)光檢測(cè)理論是一種最高效、最準(zhǔn)確的檢測(cè)方式。該技術(shù)既可以避免光致發(fā)光導(dǎo)致的良品率虛高問題，又無需保證探針與芯片的精確接觸，因而檢查速度最快。無接觸電致發(fā)光原理如下：當(dāng)外加電場(chǎng)方向從p-GaN指向n-GaN時(shí)，n-GaN區(qū)域內(nèi)的電子與p-GaN區(qū)域內(nèi)的空穴通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)向多量子阱（MQWs）方向移動(dòng)，在量子阱中發(fā)生輻射復(fù)合，如圖4（a）所示。在正向偏壓下并不能持續(xù)發(fā)生輻射復(fù)合現(xiàn)象，也就是說施加直流電壓或處于交流驅(qū)動(dòng)正半周期時(shí)只能觀察到一次發(fā)光。這是因?yàn)槎鄶?shù)載流子的漂移會(huì)在Micro-LED兩端形成耗盡區(qū)，并產(chǎn)生一個(gè)感生電場(chǎng)屏蔽外電場(chǎng)，阻止載流子擴(kuò)散。因而必須施加一個(gè)反向電場(chǎng)來驅(qū)動(dòng)電子空穴回到初始狀態(tài)（圖4（b））。因此該檢測(cè)技術(shù)需要施加交流電場(chǎng)才能使待檢測(cè)的Micro-LED周期性發(fā)光。LED無接觸電致發(fā)光可以用以下方程描述。

在無接觸電致發(fā)光檢測(cè)過程中，使用電極場(chǎng)板來與LED芯片發(fā)生耦合，如圖4（c）所示。外部高頻電源施加在場(chǎng)板電極與LED芯片陣列的底部電極上，使得場(chǎng)板下方的LED芯片陣列同時(shí)發(fā)光，通過相機(jī)收集圖像并檢測(cè)LED芯片的亮度參數(shù)。圖4（d）是福州大學(xué)研究人員所展示的晶圓級(jí)無電學(xué)接觸電致發(fā)光檢測(cè)效果。圖4（d）上圖是待檢測(cè)的Micro-LED陣列示意圖和單個(gè)器件實(shí)物圖。所檢測(cè)的芯片為4英寸晶圓上的正裝Micro-LED，芯片尺寸為40 μm×20 μm。圖4（d）下圖是實(shí)際檢測(cè)效果。

圖4：（a）無接觸Micro-LED在正向電場(chǎng)下的工作示意圖；（b）無接觸Micro-LED在反向電場(chǎng)下的工作示意圖；（c）晶圓級(jí)Micro-LED的無接觸電致發(fā)光檢測(cè)原理圖；（d）待檢測(cè)的Micro-LED陣列示意圖與Micro-LED陣列檢測(cè)效果圖
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(5):582-594. Fig.3

• 光致發(fā)光檢測(cè)

光致發(fā)光（PL）檢測(cè)是無接觸檢測(cè)中一種常用的檢測(cè)方式。其原理如圖5（a）所示，即使用短波長(zhǎng)光（如紫外光）激發(fā)LED的發(fā)光層的電子使其輻射躍遷。進(jìn)而產(chǎn)生發(fā)光圖像并從發(fā)光圖像中篩選出損壞的LED芯片。使用PL圖像和陰極熒光（CL）成像來代替電致發(fā)光檢測(cè)，同樣實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)的想法，PL圖像與CL圖像分別如圖5（b）、圖5（c）所示。對(duì)于同一個(gè)多像素LED樣本，使用短波長(zhǎng)的光激發(fā)時(shí)，所有像素都會(huì)發(fā)光，但在使用CL成像時(shí)并非所有像素都被點(diǎn)亮。對(duì)此的解釋是，PL的整個(gè)過程并沒有發(fā)生載流子運(yùn)輸，因而不受LED像素在刻蝕過后產(chǎn)生的各種短路缺陷的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)71.75%的像素在CL圖像與EL圖像中都會(huì)發(fā)光，說明CL圖像能一定程度上與EL檢測(cè)結(jié)果擬合，但擬合度還需進(jìn)一步提高。

圖5：(a) PL 檢測(cè)原理示意圖；(b)PL檢測(cè)圖像；(c)陰極熒光圖像
圖源：Journal of the Society for Information Display，2021，29(4)：264-274. Fig.3

• 自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)

AOI是現(xiàn)在市面上普遍使用的一種LED缺陷檢測(cè)技術(shù)。它多使用于識(shí)別剛切割后的晶圓片上帶有表面缺陷的LED像素，或者與點(diǎn)亮的LED芯片陣列相結(jié)合，檢測(cè)、識(shí)別不亮或亮度較暗的LED芯片，將其識(shí)別為壞點(diǎn)。隨著卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，AOI系統(tǒng)的效率和精度也越來越高，不同的算法也能夠適應(yīng)不同的檢測(cè)需求。

▍總結(jié)與展望

從產(chǎn)業(yè)成熟度、耗材經(jīng)濟(jì)性、檢測(cè)效率、技術(shù)簡(jiǎn)易度、檢測(cè)準(zhǔn)確度、檢測(cè)全面性來對(duì)四種常見的晶圓級(jí)Micro-LED芯片檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行綜合對(duì)比，如圖6所示。產(chǎn)業(yè)成熟度方面，自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)與光致發(fā)光檢測(cè)在市面上已有諸多成熟的檢測(cè)設(shè)備。耗材經(jīng)濟(jì)性上，無接觸電致發(fā)光檢測(cè)、自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)與光致發(fā)光檢測(cè)都不會(huì)與待測(cè)樣品進(jìn)行接觸，因而也不會(huì)造成機(jī)械性損壞，可以有效減少耗材成本。同時(shí)，無接觸電致發(fā)光檢測(cè)、自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)與光致發(fā)光檢測(cè)不需要進(jìn)行頻繁的垂直方向移動(dòng)，并且可以實(shí)現(xiàn)Micro-LED芯片陣列的檢測(cè)，因此具有較高的檢測(cè)效率。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)的核心是深度學(xué)習(xí)算法與顯微攝像系統(tǒng)，因此其在技術(shù)簡(jiǎn)易度方面有著先天的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于檢測(cè)準(zhǔn)確度，有接觸電致發(fā)光檢測(cè)與無接觸電致發(fā)光檢測(cè)都以電致發(fā)光為基礎(chǔ)，因而可以有效攔截?zé)o法正常發(fā)光的芯片，具有較高的檢測(cè)準(zhǔn)確率。最后是檢測(cè)全面性，有接觸電致發(fā)光檢測(cè)過程與Micro-LED芯片實(shí)際應(yīng)用情景一致，可以得到Micro-LED芯片完整的電學(xué)、光學(xué)參數(shù)。

圖6：各類檢測(cè)技術(shù)對(duì)比圖
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(5):582-594. Fig.6

接觸型電致發(fā)光檢測(cè)可以準(zhǔn)確獲得Micro-LED芯片工作時(shí)的電學(xué)參數(shù)（如電流密度、電壓、反向漏電流等）以及發(fā)光時(shí)的波長(zhǎng)、亮度等。然而，接觸型電致發(fā)光檢測(cè)容易對(duì)Micro-LED電極、芯片表面造成刮擦、擠壓等損壞。同時(shí)，面對(duì)巨量的Micro-LED芯片檢測(cè)存在效率低下的問題，顯著增加了顯示器件的制作成本。光致發(fā)光檢測(cè)采用短波長(zhǎng)、高能量的光來激發(fā)Micro-LED芯片中的獲得LED芯片的吸收光譜、載流子壽命等，但并不能真實(shí)反映器件的工作狀態(tài)。AOI檢測(cè)技術(shù)只能篩選出有外觀缺陷的LED芯片，無法篩選出不能發(fā)光的Micro-LED芯片。

Micro-LED廠商總是希望在保留接觸型電致發(fā)光檢測(cè)高準(zhǔn)確度同時(shí)，提高檢測(cè)效率、減少對(duì)芯片的損傷，即無接觸電致發(fā)光檢測(cè)方案。無接觸電致發(fā)光檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于它可以避免漏檢率過高的問題，可以較為準(zhǔn)確地獲得Micro-LED芯片的電致發(fā)光性能。同時(shí)，檢測(cè)效率可以媲美光致發(fā)光檢測(cè)和自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)，可有效縮短工藝時(shí)間。此外，無接觸電致發(fā)光檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)批量的Micro-LED芯片檢測(cè)（檢測(cè)數(shù)量取決于檢測(cè)探頭的面積），并且不會(huì)對(duì)Micro-LED芯片施加任何外力，杜絕了由于檢測(cè)而對(duì)芯片產(chǎn)生的額外損傷。隨著Micro-LED在大屏幕、高清顯示的迅猛發(fā)展，無接觸快速電致發(fā)光檢測(cè)方案是大勢(shì)所趨。

▍論文信息

蘇昊，李文豪，李俊龍，劉慧，王堃，張永愛，周雄圖，吳朝興，郭太良.晶圓級(jí)Micro-LED芯片檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].液晶與顯示, 2023,38(5):582-594.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0392

▍通訊作者

郭太良，研究員，博士生導(dǎo)師，全國(guó)優(yōu)秀教師，閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室副主任，國(guó)家新型顯示技術(shù)創(chuàng)新中心副主任，平板顯示技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室主任。主要承擔(dān)了863重大專項(xiàng)、國(guó)家基金、福建省重大科技項(xiàng)目等20多項(xiàng)科研項(xiàng)目，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可顯示視頻圖像的20英寸單色、25英寸QVGA彩色、VGA彩色、SVGA彩色、34英寸XGA彩色場(chǎng)致發(fā)射顯示器，以及5、10、20和34英寸FED背光源，為低成本、大尺寸FED顯示器和背光源的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化開辟了一條全新途徑。以排名第一獲福建省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，中國(guó)產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新成果二等獎(jiǎng)各一項(xiàng)，授權(quán)發(fā)明專利100多件，發(fā)表學(xué)術(shù)論文280多篇。

吳朝興，福州大學(xué)、福建省閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室教授，博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事光電器件與新型顯示技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究，聚焦納米像元顯示技術(shù)（NLED）及基于無載流子注入技術(shù)的光電材料分析測(cè)試研發(fā)。截止至2022年，獲得中國(guó)授權(quán)發(fā)明專利23件，韓國(guó)授權(quán)發(fā)明專利5件，作為第一作者/通訊作者在 Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Energy、Advanced Functional Materials等期刊發(fā)表論文70余篇。入選首批福建省“雛鷹計(jì)劃”青年拔尖人才、福建省引進(jìn)高層次人才（A類）、福建省“閩江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”。主持“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、福建省自然科學(xué)基金等，獲得福建省自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文一等獎(jiǎng)、韓國(guó)研究開發(fā)優(yōu)秀成果獎(jiǎng)。