各位朋友们，大家好。结合惟光探真在MicroLED显示领域的经验积累，接下来我们将针对MicroLED推出一系列文章，以便让大家更清楚的了解惟光在这个领域里面能做什么。

MicroLED简介

MicroLED（微发光二极管）是将传统 LED 结构微型化至微米级（通常尺寸为 1-100μm）的阵列化光电器件，每个像素由独立的RGB子像素构成，无需背光模组，通过电流直接驱动氮化镓（GaN）等无机材料发光。其基本结构与传统 LED 类似，由衬底（如蓝宝石、硅）、半导体外延层（如 GaN 基 PN 结）和电极组成，但以高密度阵列形式集成于基板（如硅基 CMOS 驱动电路）上，每个像素独立发光，可实现超高分辨率显示。

MicroLED显示技术作为下一代显示技术的主要发展方向之一，在亮度、能效和寿命上具有显著优势，但产业化仍面临一系列高难度挑战，尤其在检测环节存在传统方法难以克服的瓶颈。

接下来我们将从器件结构介绍、技术瓶颈和传统检测手段的局限性三个方面来详细解析为何传统检测手段难以满足MicroLED检测需求。

一、MicroLED器件核心结构解析  

1. 颠覆性架构：典型的多层“三明治”结构，从上到下通常有如下13层结构。

1）衬底层

常用的衬底材料是蓝宝石（Al₂O₃）、硅（Si）。

主要作用是为后续的外延生长提供结晶基底。对于最终器件，衬底通常会被剥离（Lift-off）或减薄（Thinning），特别是在需要将 MicroLED 芯片转移到显示背板上的情况下。剥离衬底是 MicroLED 制造的关键步骤之一。

2）缓冲层

缓冲层材料通常为氮化铝（AlN）或氮化镓（GaN）。

主要作用是缓解衬底与外延层之间的晶格失配和热膨胀系数差异，减少缺陷，为高质量外延生长打下基础。

3）n型氮化镓层

所用材料一般是掺硅（Si）的 n-GaN。

主要作用是提供电子载流子。当施加正向偏压时，电子从 n-GaN 层注入到有源区。

4）多量子阱有源区

有源区一般由极薄的（几纳米）交替生长的 InGaN（铟镓氮）量子阱层和 GaN 量子垒层构成。铟（In）的含量决定了发光的波长（颜色）。如蓝光 MicroLED 主要使用 InGaN/GaN MQW。

主要作用是作为发光的核心区域，注入的电子和空穴在此区域复合，释放出光子（光致发光）。量子阱结构有效地将载流子限制在很小的空间内，提高了复合效率和光输出。

5）电子阻挡层

所用材料通常为掺镁（Mg）的 p型 AlGaN（铝镓氮）。

主要作用是防止电子从有源区溢出到 p型区，提高载流子在量子阱内的限制能力和复合效率。

6）p型氮化镓层

所用材料通常为掺镁（Mg）的 p-GaN。

主要作用是提供空穴载流子。当施加正向偏压时，空穴从 p-GaN 层注入到有源区。

7）透明导电层

透明导电层最常用的是氧化铟锡（ITO），也有研究使用氧化锌（ZnO）、石墨烯、超薄金属等。

主要的作用有两个：①电流扩展： 这是 MicroLED 结构中的 关键挑战之一。由于尺寸微小，传统的金属电极很难均匀地将电流分布到整个 p-GaN 表面。ITO 层作为透明导体，铺在 p-GaN 上，有助于电流从点接触的电极横向扩展到整个芯片发光区域，确保发光均匀性。

②降低接触电阻： 改善金属电极与 p-GaN 之间的欧姆接触。

8）p型电极

通常为多层金属堆叠（如 Ni/Au, ITO/Au, 或 Cr/Pt/Au 等），需要优化以实现低接触电阻和良好的粘附性。

由于 MicroLED 尺寸小，为了最大化发光面积（开口率），同时保证电流扩展，p电极通常设计成围绕芯片边缘的环形或网格状（Busbar + Fingers）。网格设计是解决微缩化下电流扩展难题的核心方案。此外电极尺寸和位置需要精确控制，避免遮挡出光路径。

9）n型电极

类似 p电极的多层金属堆叠（如 Ti/Al/Ti/Au 等），针对 n-GaN 进行优化。

垂直结构： 在衬底被剥离后，n电极可以直接制作在暴露的 n-GaN 层底部（需要隔离绝缘层）。这种结构电流路径垂直，电流扩展更好，但工艺复杂。

横向结构： n电极和 p电极都位于芯片的同一侧（顶部）。这需要在 n-GaN 层上蚀刻出台阶（Mesa Etching），暴露出 n-GaN，然后在台阶上制作 n电极。这是目前较常见的结构，但电流路径是横向的，对电流扩展要求更高。

10）钝化/绝缘层

一般采用二氧化硅（SiO₂）、氮化硅（SiNₓ）等。

主要作用是防止电极间短路或漏电，减少芯片表面态引起的非辐射复合，提高发光效率。同时也可以保护芯片免受后续工艺或环境的影响。

11）键合层

对于需要巨量转移到显示背板（TFT 背板或 CMOS 背板）的 MicroLED，芯片底部需要有金属键合层（如铜 Cu、锡 Sn、金 Au 或其合金）。

主要作用是通过热压键合、回流焊、激光焊接、直接金属键合（Cu-Cu）等方式，实现 MicroLED 芯片与背板上对应焊盘的 机械固定和电学连接。这是巨量转移工艺的核心环节之一。

12）光提取结构

一般采用侧壁倾角（Tapered Sidewalls）、表面粗糙化（Surface Roughening）、微透镜阵列（Microlens Arrays）、分布式布拉格反射镜（DBR）、光子晶体（Photonic Crystals）等方式。

主要作用是破坏全内反射（TIR）条件，引导更多光子从芯片顶部或侧面逸出，显著提升光效。这是因为GaN 的折射率高（~2.4），在 GaN/空气界面会产生严重的全内反射，导致大量光被困在芯片内部无法出射（光提取效率低）。

13）色彩转换层

基材通常为透明树脂或玻璃。转换材料为红色和绿色的量子点（QD）或荧光粉（Phosphor），精确涂布或喷墨打印在对应的蓝光 MicroLED 像素上。

蓝光 MicroLED 发出的蓝光激发其上的红色和绿色量子点/荧光粉，分别发出红光和绿光，结合未被转换的蓝光，实现 RGB 三基色显示。

2. 与传统LED的本质差异  

二、技术瓶颈：四大“致命伤”  

1. 效率衰减（Efficiency Droop）

  -现象：电流密度↑ → 发光效率↓（>50%衰减）  

  -根源：载流子泄漏（俄歇复合主导）、量子局限斯塔克效应（QCSE）  

2. 波长均匀性（Wavelength Uniformity）  

  -行业标准：色差Δx, Δy<0.003（苹果要求）  

  -工艺敏感点：  

    - 外延层厚度波动（±1nm → 波长漂移2-3nm）  

    - 量子阱组分不均匀（In分布波动）  

3.缺陷密度（Defect Density）  

  -致命缺陷类型：  

    - 位错（Threading Dislocation）：密度需<10⁶/cm²  

    - 微裂纹（Micro-cracks）：巨量转移应力诱发  

4.热管理失效（Thermal Runaway）

  -热流密度对比：MicroLED可达10⁷W/m³（是CPU的10倍）  

  -失效模式：热应力→材料退化→波长红移  

三、传统检测手段的“失明区”

1.电学测试（IV/EL）的局限  

  -无法定位非电致缺陷：如外延层位错、界面应力  

  -空间分辨率不足：探针尺寸>5μm（无法诊断亚像素缺陷）  

  -破坏性风险：接触式测试导致微结构损伤  

2.显微镜/光谱仪的瓶颈  

  - 白光干涉仪：仅表面形貌分析  

  - 荧光显微镜：无法量化载流子动力学  

> 结论：MicroLED的微观尺度与超高集成度，倒逼“非接触、高分辨、多物理场耦合”的表征技术——PL与Raman登上舞台核心。

1. **文章1**：插入GaN外延片位错密度与发光效率关系曲线（文献：Appl. Phys. Lett 2023）