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MicroLED芯片与晶圆的PL和Raman测试表征技术深探第三辑 | 为何PL与Raman测试是MicroLED检测的“必选项”?
2025-06-19

各位朋友们,大家好。今天小薇想跟大家探讨一个问题:为何PL与Raman测试是MicroLED检测的“必选项”?而这也是MicroLED芯片与晶圆的PL和Raman测试表征技术深探系列的第三辑。欢迎感兴趣的朋友在评论区留言,大家一起交流学习!


MicroLED制造当前面临的挑战


MicroLED作为新一代显示技术,通过将LED结构薄膜化、微小化(一般像素尺寸≤100μm)和阵列化,实现了高亮度(可达OLED的10倍)、高分辨率(>1500PPI)、低功耗(仅为LCD的10%)和长寿命等优势,然而在产业化方面仍面临着巨量转移、发光强度和波长一致性、成本控制等核心挑战。在此背景下,非接触、高通量、高精度的检测技术成为MicroLED制造中的刚需,而PL与Raman恰好兼具无接触、高通量和高精度的技术特性,因此成为MicroLED制造中的必备检测工具之一。下表对比了MicroLED制造中的主要检测挑战及技术要求。

检测挑战 技术要求 传统方法局限
巨量芯片检测 高速、高通量(每分钟千万级芯片) 探针式EL效率低下,无法全检
微米级芯片无损测试 非接触、零损伤 探针接触造成物理损伤
发光效率与均匀性 高精度光学与光谱分析 AOI仅能检测外观缺陷
材料应力与缺陷 亚微米级材料结构分析 缺乏有效手段

PL与Raman测试在MicroLED制造中的必要性


PL测试和Raman测试作为MicroLED制造中光学检测的核心工具,相比于传统电学测试,突出优势体现在非接触检测、亚微米分辨率、载流子复合机制分析、应力/晶格质量定量、在线实时监控等方面。下面我们来详细分析。

一、PL测试:非接触式发光性能检测的核心

1. 技术原理与优势

 PL(光致发光)检测通过特定波长光束(如紫外或蓝光)激发MicroLED中的发光层使其电子发生辐射跃迁,以此产生发光图像,进而采集发光强度、波长、均匀性等数据。其核心优势包括:

非接触无损检测:避免探针与芯片电极接触,从而在垂直移动过程中对 MicroLED 芯片的电极、表面以及探针造成损坏(传统EL检测的致命缺陷)。

超高速检测:无需面临探针与芯片电极对准问题,可在数分钟内完成整片晶圆(数千万至数亿颗芯片)的扫描,适应了 MicroLED 大规模生产中快速检测的需求。

多参数输出:对多量子阱层进行检测,通过分析激发后产生的发光图像以及相关光谱信息,获取亮度、波长分布、缺陷定位(如暗点)及外量子效率(EQE)等参数,从而有效评估多量子阱层的质量。

2. 在MicroLED检测中的不可替代性

良率管理:PL可识别“表面完好但内部失效”的芯片(AOI无法检测),防止虚高良率。例如:PL检测红光芯片的灵敏度显著高于EL,解决红光效率检测难题。

工艺监控:实时反馈外延生长、刻蚀、钝化等工艺缺陷(如量子阱损伤),指导制程优化。

成本控制:早期剔除不良芯片,降低后道修补成本。


3. 与其他检测技术互补

与接触型电致发光检测结合:电致发光检测可以准确获得 MicroLED 芯片工作时的电学参数以及发光时的波长、亮度等,能筛选出电学上存在缺陷的芯片;而 PL 检测能发现多量子阱层本身的结构问题,两者结合可以更全面地评估芯片质量。

与自动光学检测(AOI)结合: AOI主要用于识别表面缺陷和不亮或亮度较暗的芯片,PL 检测则深入到芯片内部的多量子阱层,共同为 MicroLED 芯片的质量检测提供全方位保障。


二、Raman测试:材料应力与结构分析的基石

1. 技术原理与独特价值

Raman光谱通过分析激光散射后的拉曼光谱峰的位置、强度和展宽等参数,来反映晶体的对称性、晶格振动模式以及晶体中是否存在缺陷或杂质。就MicroLED来说,可以用来表征:

应力分布:GaN外延层的 E₂(high) 峰位偏移量(△cm⁻¹指示压/张应力)与应力线性相关,可定量分析芯片内部应力状态。

晶体质量:通过半高宽展宽反映多量子阱(MQW)晶格缺陷密度(峰宽与缺陷正相关),位错密度>0.1/cm² 时展宽显著,此外也可以通过双声子散射峰评估材料结晶质量,强度降低表明缺陷增加。

成分鉴定:异质结构界面杂质(如硅衬底GaN中的Si扩散)。

2. 在MicroLED中的关键应用

应力调控:MicroLED微缩化加剧侧壁损伤、外延层应力集中,导致非辐射复合(效率骤降)。Raman可定量映射应力分布,指导钝化层设计与刻蚀工艺优化。

缺陷溯源:识别外延层位错、堆垛缺陷(如蓝宝石衬底剥离导致的损伤),提升EQE。

热管理分析:芯片散热能力与Raman峰位移相关(温升△T∝峰位移),可检测封装后的残余应力分布,为热管理设计提供依据。


三、PL与Raman测试的协同:从单点突破到系统级解决方案

PL 测试主要关注芯片的发光性能和多量子阱层的质量,而 Raman 测试侧重于晶体结构、应力和材料成分等方面。通过结合两者的测试结果,可以更全面、深入地了解 MicroLED 芯片的性能与内部微观结构之间的关系。

缺陷关联分析:PL定位发光异常点 → Raman聚焦该点分析应力/缺陷结构(例:PL检测到局部暗点 → Raman揭示该处是否存在高应力或晶格畸变)。

工艺闭环优化:Raman反馈外延/刻蚀应力数据 → 调整工艺参数 → PL验证发光效率提升效果。


下表列举了PL与Raman测试在MicroLED不同制造工艺阶段的作用



检测挑战 PL测试 Raman测试
外延生长 评估MQW发光效率、筛选外延缺陷 监测外延层由于晶格失陪导致的应力及晶体质量,优化生长工艺
刻蚀后 检测侧壁损伤导致的量子阱失效 检测量化刻蚀引起的应力集中区域
电极制备前 预筛选可修复芯片(仅电极问题) 预防应力导致的电极剥离风险
巨量转移前 最终发光层质量验证 确保转移后显示色彩一致性(应力影响波长)

结论

在MicroLED检测领域,PL是唯一兼具非接触、高速、高精度的光学检测方法,Raman是亚微米级应力/缺陷分析的唯一在线检测手段。两者协同可大幅提升总体良率,避免因后道修补导致的成本指数级增长,同时为缺陷分析与工艺优化提供底层数据支撑。


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