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    液晶與顯示|晶圓級Micro-LED芯片檢測技術研究進展

    字體變大  字體變小 發布日期:2023-07-05  瀏覽次數:1467
    核心提示:目前,晶圓級Micro-LED檢測手段分為接觸型檢測和無接觸型檢測。
     本文由論文作者團隊(課題組)投稿

    Micro-LED因其高集成度、高亮度、低功耗、自發光等優勢受到廣泛關注,有望成為新一代的主流顯示技術。盡管市場前景廣闊,但Micro-LED顯示產業化進程卻因整機成本過高而放緩腳步。導致其成本居高不下的原因之一是制造過程中涉及的有關材料、器件、工藝等復雜問題導致了最終的顯示屏像素良率達不到要求。顯示行業認為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、避免巨量修復是降低Micro-LED整機成本從而實現產業化的關鍵。受限于LED外延片的生長工藝和后續的晶圓級芯片加工工藝,難以保證所有Micro-LED芯片的光、電參數滿足要求。因此,在巨量轉移-鍵合之前,對晶圓級Micro-LED芯片進行檢測以實現壞點的攔截就成為提升Micro-LED顯示屏良品率的關鍵環節。

    目前,晶圓級Micro-LED檢測手段分為接觸型檢測和無接觸型檢測。接觸型檢測的代表性方法為電致發光檢測,即通過微型電學探針分別接觸Micro-LED的兩個電極并注入電流,記錄LED芯片的電學性能和發光性能。無接觸型檢測的代表性技術為光致發光檢測,該技術的原理是通過短波長激發Micro-LED芯片的多量子阱層實現發光,通過光致發光譜來評估LED的質量。除了這兩種典型的檢測技術外,還存在以攝像系統與機器學習為核心的自動光學檢測、紅外熱成像檢測、陰極熒光檢測、飛行時間二次離子質譜檢測等方法。此外,極具前瞻性的無接觸電致發光檢測技術也正加速發展,具有高效率、高準確率的無接觸電致發光檢測將是適配晶圓級Micro-LED芯片檢測的極佳方案。目前的檢測技術研究百家爭鳴,但尚無對現有的檢測技術進行總結與分析。

    近日,福州大學、閩都創新實驗室郭太良教授團隊在《液晶與顯示》(ESCI、Scopus,中文核心期刊)2023年第5期發表了題為“晶圓級Micro-LED芯片檢測技術研究進展”的綜述,并被選作當期封面文章。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Micro-LED檢測時所需要檢測的幾個指標,其次詳細介紹并分析現有的檢測手段,最后對LED檢測技術進行總結并提出該領域未來發展方向的展望。

    圖1:《液晶與顯示》2023年第5期封面圖

     

    Micro-LED檢測技術簡介

    Micro-LED芯片的質量是影響Micro-LED顯示屏質量的重要因素,是決定Micro-LED顯示的整機成本能否有效降低并實現產業化的關鍵。然而,受限于LED外延片的生長工藝和后續的芯片加工工藝,無法保證所有Micro-LED芯片的光、電參數滿足要求。因此,在巨量轉移之前,對晶圓級Micro-LED芯片進行檢測以便實現壞點的攔截就成為提升Micro-LED顯示屏良品率的關鍵環節。然而,隨著LED芯片的尺寸越來越小,一個顯示器上所需要的LED芯片數量也日漸增多。這對現有的晶圓級Micro-LED缺陷檢測手段提出了極高的要求。

    目前,晶圓級Micro-LED檢測手段分為接觸型檢測和無接觸型檢測。接觸型檢測的代表性方法為電致發光檢測,即通過微型電學探針分別接觸Micro-LED的兩個電極并注入電流,記錄LED芯片的電學性能和發光性能。此外,無接觸型檢測技術也在逐漸發展。無接觸型檢測的代表性技術為光致發光檢測,該技術的原理是通過短波長激發Micro-LED芯片的多量子阱層實現發光,通過光致發光譜來評估LED的質量。除了這兩種典型的檢測技術外,還有以攝像系統與機器學習為核心的自動光學檢測(AOI),以及極具前瞻性的無接觸電致發光檢測技術。

    Micro-LED檢測技術研究現狀

    | 接觸型檢測 |

    接觸型檢測的代表性方法為電致發光檢測。該檢測技術使用的主流方法是使微型探針與Micro-LED的電極進行接觸,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的發光層中,使其發生電致發光現象,然后收集Micro-LED的工作電壓、亮度、發光波長等光電參數來判斷芯片合格。這種檢測方式原理簡單,技術成熟,但在檢測過程中要對探針進行垂直移動,在進行垂直移動的過程中會不可避免地對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,這導致探針與Micro-LED芯片電極的對準難度也加大,造成檢測效率低下、成本急劇增加。為此,研究人員從檢測效率提升、損傷抑制等方面開展研究。

    • 檢測效率提升

    設計特殊的電極結構并通過顯微鏡對包含多顆Micro-LED的圖像進行處理并篩選出亮度不正常的芯片也可以提高檢測效率。研究人員提出了一種可以測量整個Micro-LED陣列乃至單顆Micro-LED芯片表面亮度分布的檢測方法。Micro-LED陣列(如圖2(a)所示)由行列電極進行選通,因而可以滿足單個Micro-LED芯片點亮和多個Micro-LED芯片同時點亮需求,并在兩種不同情況下使用測量系統進行檢測。攝像系統獲取發光的Micro-LED陣列圖像并由算法系統生成偽彩色圖(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。這個方法在檢測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電膜可以在測試過程中保護LED芯片的電極不被損壞,減少成本,透明導電膜覆蓋LED芯片的示意圖如圖3(a)所示。研究人員提出了一種LED芯片的無損測試方法。該方法使用了透明導電膜覆蓋待測LED芯片,測試針通過導電膜與LED芯片間接接觸,從而避免了傳統針測中會出現的針痕問題,如圖3(b)與圖3(c)所示。該導電膜具有透明導電槽,導電槽分為正極導電槽和負極導電槽,分別對應于LED芯片的正電極和負電極。其形狀與尺寸與待測LED芯片一致,深度與待測LED芯片電極厚度一致,再把這些經過特殊制備的透明導電膜蝕刻在絕緣基底上,測試時LED芯片的電極嵌入透明導電槽,測試針再扎到這些與LED正負電極接觸的區域,進行測試。這種方案原理簡單、效果好,但是與諸多使用“介質”隔開探針與LED芯片、Micro-LED芯片的方法一樣,一種規格的導電膜只能適配一種規格的芯片,適用性低,并且隨著LED芯片尺寸越來越小,制備與之相適配導電介質的難度也會越來越大。

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

     

    | 無接觸檢測 |

    • 無電學接觸電致發光檢測

    2015年,福州大學郭太良、吳朝興團隊提出了一種晶圓級Micro-LED芯片無接觸電致發光檢測技術。該技術可以對晶圓上百萬數量級的Micro LED芯片進行掃描式、無接觸電致發光檢測。無接觸電致發光檢測理論是一種最高效、最準確的檢測方式。該技術既可以避免光致發光導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。無接觸電致發光原理如下:當外加電場方向從p-GaN指向n-GaN時,n-GaN區域內的電子與p-GaN區域內的空穴通過擴散運動向多量子阱(MQWs)方向移動,在量子阱中發生輻射復合,如圖4(a)所示。在正向偏壓下并不能持續發生輻射復合現象,也就是說施加直流電壓或處于交流驅動正半周期時只能觀察到一次發光。這是因為多數載流子的漂移會在Micro-LED兩端形成耗盡區,并產生一個感生電場屏蔽外電場,阻止載流子擴散。因而必須施加一個反向電場來驅動電子空穴回到初始狀態(圖4(b))。因此該檢測技術需要施加交流電場才能使待檢測的Micro-LED周期性發光。LED無接觸電致發光可以用以下方程描述。

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

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

     

    • 光致發光檢測

    光致發光(PL)檢測是無接觸檢測中一種常用的檢測方式。其原理如圖5(a)所示,即使用短波長光(如紫外光)激發LED的發光層的電子使其輻射躍遷。進而產生發光圖像并從發光圖像中篩選出損壞的LED芯片。使用PL圖像和陰極熒光(CL)成像來代替電致發光檢測,同樣實現無損檢測的想法,PL圖像與CL圖像分別如圖5(b)、圖5(c)所示。對于同一個多像素LED樣本,使用短波長的光激發時,所有像素都會發光,但在使用CL成像時并非所有像素都被點亮。對此的解釋是,PL的整個過程并沒有發生載流子運輸,因而不受LED像素在刻蝕過后產生的各種短路缺陷的影響。實驗發現71.75%的像素在CL圖像與EL圖像中都會發光,說明CL圖像能一定程度上與EL檢測結果擬合,但擬合度還需進一步提高。

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

     

    • 自動光學檢測

    AOI是現在市面上普遍使用的一種LED缺陷檢測技術。它多使用于識別剛切割后的晶圓片上帶有表面缺陷的LED像素,或者與點亮的LED芯片陣列相結合,檢測、識別不亮或亮度較暗的LED芯片,將其識別為壞點。隨著卷積神經網絡的發展,AOI系統的效率和精度也越來越高,不同的算法也能夠適應不同的檢測需求。

    總結與展望

    從產業成熟度、耗材經濟性、檢測效率、技術簡易度、檢測準確度、檢測全面性來對四種常見的晶圓級Micro-LED芯片檢測技術進行綜合對比,如圖6所示。產業成熟度方面,自動光學檢測與光致發光檢測在市面上已有諸多成熟的檢測設備。耗材經濟性上,無接觸電致發光檢測、自動光學檢測與光致發光檢測都不會與待測樣品進行接觸,因而也不會造成機械性損壞,可以有效減少耗材成本。同時,無接觸電致發光檢測、自動光學檢測與光致發光檢測不需要進行頻繁的垂直方向移動,并且可以實現Micro-LED芯片陣列的檢測,因此具有較高的檢測效率。自動光學檢測的核心是深度學習算法與顯微攝像系統,因此其在技術簡易度方面有著先天的優勢。對于檢測準確度,有接觸電致發光檢測與無接觸電致發光檢測都以電致發光為基礎,因而可以有效攔截無法正常發光的芯片,具有較高的檢測準確率。最后是檢測全面性,有接觸電致發光檢測過程與Micro-LED芯片實際應用情景一致,可以得到Micro-LED芯片完整的電學、光學參數。

    圖6:各類檢測技術對比圖
    圖源:液晶與顯示, 2023, 38(5):582-594. Fig.6

     

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

    Micro-LED廠商總是希望在保留接觸型電致發光檢測高準確度同時,提高檢測效率、減少對芯片的損傷,即無接觸電致發光檢測方案。無接觸電致發光檢測的優勢在于它可以避免漏檢率過高的問題,可以較為準確地獲得Micro-LED芯片的電致發光性能。同時,檢測效率可以媲美光致發光檢測和自動光學檢測,可有效縮短工藝時間。此外,無接觸電致發光檢測可以實現批量的Micro-LED芯片檢測(檢測數量取決于檢測探頭的面積),并且不會對Micro-LED芯片施加任何外力,杜絕了由于檢測而對芯片產生的額外損傷。隨著Micro-LED在大屏幕、高清顯示的迅猛發展,無接觸快速電致發光檢測方案是大勢所趨。

    ▍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Micro-LED芯片檢測技術研究進展[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,博士生導師,全國優秀教師,閩都創新實驗室副主任,國家新型顯示技術創新中心副主任,平板顯示技術國家地方聯合工程實驗室主任。主要承擔了863重大專項、國家基金、福建省重大科技項目等20多項科研項目,研制出具有自主知識產權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彩色場致發射顯示器,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和產業化開辟了一條全新途徑。以排名第一獲福建省科技進步一等獎,中國產學研創新成果二等獎各一項,授權發明專利100多件,發表學術論文280多篇。

     

    吳朝興,福州大學、福建省閩都創新實驗室教授,博士生導師。長期從事光電器件與新型顯示技術應用基礎研究,聚焦納米像元顯示技術(NLED)及基于無載流子注入技術的光電材料分析測試研發。截止至2022年,獲得中國授權發明專利23件,韓國授權發明專利5件,作為第一作者/通訊作者在 Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Energy、Advanced Functional Materials等期刊發表論文70余篇。入選首批福建省“雛鷹計劃”青年拔尖人才、福建省引進高層次人才(A類)、福建省“閩江學者獎勵計劃”。主持“十四五”國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金、福建省自然科學基金等,獲得福建省自然科學優秀學術論文一等獎、韓國研究開發優秀成果獎。

     
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