Crearea rețelelor de micro-LED-uri ultraviolete cu lungimea de undă de 270 nm-deep ultraviolet-C (UVC) pentru fotolitografia de proximitate fără mască este raportată de cercetătorii chinezi [Feng Feng et al, nature photonics, publicat online la 15 octombrie 2024].
„Matricele de micro-LED-uri UVC sunt din ce în ce mai apreciate în fotolitografie și fotochimie ca instrumente pentru generarea de modele de imagini arbitrare și transferul lor pe materiale-sensibile la lumină, cum ar fi fotorezistele, eliminând nevoia de măști foto costisitoare”, remarcă echipa de la Institutul de Nanotehnologie și Nano{2}Suzhou, Universitatea de Știință și Tehnologie, Universitatea de Știință și Tehnologie din Hong Kong și Tehnologie de Sud.
Spre deosebire de lămpile cu vapori de mercur, LED-urile UVC au fost dezvoltate în primul rând pentru aplicații de sterilizare virală, datorită eficienței lor ridicate, duratei de viață lungi și fără efect asupra mediului.
Un sistem de micro-LED UVC cu cip-flip este prezentat în Figura 1. b. Forma matricei de micro-LED UVC de 6μmx6μm văzută prin microscopia electronică cu scanare, cu o matrice stand-de 5μmx5μm inclusă ca insert. c. Micrografie a dispozitivelor autonome folosind electroluminiscență (EL).
Rețelele de LED UVC au fost create de cercetători folosind plachete epitaxiale de nitrură de aluminiu de galiu (AlGaN) de 2-inchi (Figura 1). „Acest efect de înclinare pronunțat reprezintă un obstacol major în realizarea afișajelor LED cu micro-format UVC mare, deoarece provoacă goluri substanțiale de aliniere în timpul proceselor de fabricație, cum ar fi modelarea electrozilor, gravarea găurilor și lipirea cip-chip”, notează echipa, referindu-se la dificultățile cauzate de ondularea mai mult decât plachetele.
Efectele de deformare cauzate de rețeaua notabilă și nepotrivirea expansiunii termice dintre substratul de safir și straturile de AlGaN sunt legate de această îndoire.
Folosind porțiuni mici de plachetă care au fost separate prin tăierea cu laser, cercetătorii au reușit să reducă influența îndoirii și să obțină o precizie acceptabilă în modelarea matricei până la lățimi de mesa de 3 μm.
Nichelul/aurul ultrasubțire, care este aproape transparent în regiunea lungimii de undă UVC, a constituit contactul superior p-.
Sub polarizare inversă, dispozitivul rezultat a arătat curenți de scurgere foarte mici, sub limita de detecție de 100 fA a echipamentului de măsurare. Echipa observă că acest lucru se datorează pasivării crescute a peretelui lateral-depunerii stratului atomic (ALD) și scăderii daunelor laterale cauzate de tratamentul cu hidroxid de tetrametilamoniu (TMAH).
o densitate de curent mai mare pentru o anumită polarizare s-a dovedit a fi avantajoasă pentru dispozitivele mai mici, ceea ce duce la o uniformitate mai mare a curentului în întregul LED.
„Raporturile îmbunătățite suprafață-la-volum și efectul redus de-înghesuire a curentului ajută la îmbunătățirea disipării căldurii în dispozitivele mai mici, reducând degradarea termică în cazul injecției cu curent ridicat”, remarcă echipa.
Pe măsură ce polarizarea directă a crescut de la 3,95 V la 4,2 V, factorul de idealitate al dispozitivelor a scăzut de la 3,9 la 2,8. Recombinarea non-radiativă rezultată din calitatea suboptimă a plachetelor epitaxiale a fost creditată cu idealitatea ridicată.
Potrivit cercetătorilor, pereții laterali au fost o sursă aproape nesemnificativă de centre de recombinare non-radiativă din cauza tratamentelor TMAH și de pasivare pe care le foloseau. Cu toate acestea, au existat unele indicii că „tratamentele de pasivare și TMAH ar putea să nu fie complet eficiente în suprimarea recombinărilor non-radiative care provin din defecte cauzate de deteriorarea peretelui lateral” în dispozitivele mai mici, până la 3μm.
Pe măsură ce dimensiunea dispozitivului se micșorează de la 100μm la 3μm, eficiența cuantică externă de vârf (Figura 2) împinge spre densități de curent mai mari, trecând de la 15A/cm2 la 70A/cm2. EQE-urile au fost cu un ordin de mărime mai mici decât ceea ce se putea obține cu LED-urile pasivate verzi sau albastre.
Figura 2 prezintă EQE de vârf și raportul de scădere EQE pentru fiecare dimensiune a dispozitivului (puncte) împreună cu liniile de tendință în raport cu valoarea de vârf.
„Scăderea EQE scade de la 67,5% la 17,9% pe măsură ce dimensiunea dispozitivului scade”, constată echipa, demonstrând că dispozitivele mai mici oferă o stabilitate îmbunătățită a emisiei de lumină la densități de curent mai mari datorită disipării lor superioare a căldurii.
O uniformitate mai mare-de răspândire a curentului și o eficiență îmbunătățită a extracției luminii (LEE) sunt creditate de către cercetători pentru creșterea EQE pentru diametre mai mici de 30 μm. „Dispozitivele mai mici emit lumină mai aproape de pereții laterali, rezultând o refracție mai mare a pereților laterali și, în consecință, un LEE mai mare”, spun cercetătorii.
Lățimea completă-la jumătatea maximă a dispozitivelor (FWHM) a fost mai mică de 21 nm, iar lungimea de undă de vârf a fost de aproximativ 270 nm. La curenți scăzuti, lungimea de undă de vârf a dispozitivului de 3 μm s-a deplasat la albastru cu 2 nm, în timp ce la curenți mai mari (dincolo de 70 A/cm2), s-a deplasat la roșu cu 1 nm.
Potrivit oamenilor de știință, această schimbare este rezultatul efectelor-de umplere a benzii și al micșorării bandgap-ului indusă de auto-încălzire-, care concurează între ele. Calea îmbunătățită de transfer de căldură, care determină o creștere mai lentă a temperaturii joncțiunii, este responsabilă pentru schimbarea spectrală generală la toate densitățile de curent, care este de numai aproximativ 2 nm.
Cu o densitate de 43,6 W/cm2, puterea de ieșire a luminii (LOP) a LED-urilor de 100 μm a fost de 4,5 mW la 35 mA. Densitatea maximă LOP pentru LED-urile de 3 μm a fost de 396 W/cm2. „Acest lucru se poate datora și efectului de ghidare a undelor din multi-straturi AlGaN, unde dispozitivele mai mari suferă o pierdere de putere crescută datorită unei căi optice mai lungi de la puțurile cuantice multiple emisive către aer”. Echipa observă că dispozitivele mai mici, cu o mai bună uniformitate-de răspândire a curentului și stabilitate termică, pot susține densități de curent mai mari, obținând astfel densități de putere optică mai mari.
Temperaturile extreme ale joncțiunilor cauzate de funcționarea la punctul de putere maximă cresc îmbătrânirea și provoacă deteriorarea termică.
Densitatea LOP a dispozitivului de 3 μm a fost de 25,9 W/cm2 la 100 A/cm2. Aceasta are „un potențial excelent ca sursă de lumină fotolitografică”, potrivit cercetătorilor.
Pe baza dispozitivelor de 6 μm la un pas de 10 μm, cercetătorii au reușit să extindă dimensiunea rețelelor LED UVC de la 16x16 pixeli care au fost documentați anterior în literatura științifică la 160x90 pixeli (2540/inch). Pentru o extracție îmbunătățită a luminii din spate-partea laterală prin substratul mai subțire din safir, matricele au fost acoperite cu o suprafață superioară de aluminiu-con reflectoare UVC.
Cu o polarizare directă de 12 V și o densitate de curent de 20 A/cm2, matricea a produs o putere optică de ieșire de 16,6 mW. La 8A/cm2, EQE a atins vârful la 4,1%.
Potrivit cercetătorilor, „Afișajul UVC micro-LED depășește calibrarea de 25mW/cm2 a lămpii cu mercur de 365nm utilizată în alinierea mască Karl Suss MA{-6 pentru a îndeplini cerințele de doză de expunere fotorezistentă, oferind o densitate adecvată a puterii optice de până la 1,1W/cm2 pentru iluminare pe tot ecranul.”
Pentru a evalua capacitățile de fotolitografie, a fost utilizată o matrice UVC de 320x140 cu pixeli de 9 μm la o distanță de 12 μm (Figura 3). Bufturile de indiu au fost folosite pentru a lipi-cip-ul matricea pe un cip driver CMOS. AZ MiR 703 sensibil la i-linii într-o configurație de modelare de proximitate a servit drept rezistență foto pentru test. Afișajele micro-LED vizibile, de exemplu, pot fi realizate folosind abordarea fotolitografiei.
Figura 3: Fotolitografia cu afișaj cu micro-LED UVC dezvăluie profilul suprafeței (dreapta) și imaginile fotolitografice fără mască (stânga) pe plachetele acoperite cu fotorezist-. Timp de cinci secunde, expunerea a fost la 80mA.
Deși rezoluția structurală nu este la fel de bună ca cea atinsă cu expunerea de contact, cercetătorii remarcă că fotolitografia fără mască ar putea fi mult îmbunătățită prin lentile și metode similare de focalizare. Astfel de metode de fotolitografie fără mască ar putea economisi industriei semiconductoarelor o cantitate semnificativă de timp și bani, eliminând cerințele pentru măști de scriere cu laser-, mai ales pentru că lățimi de linie mai înguste, până la dimensiunea pixelilor circuitelor de micro-afișaj, sunt promițătoare.
Îmbunătățind calitatea plachetei epitaxiale și obținând o aliniere mai precisă, cercetătorii doresc să treacă peste restricția actuală de 320x140 pixeli și să deschidă ușa pentru afișaje cu micro-LED UVC cu rezoluție mult mai mare-UVC, cu până la 8K pixeli în fiecare dimensiune, ceea ce este necesar pentru rezoluțiile HD și UHD.
https://www.benweilight.com/lighting-tub-bulb/led-solar-street-light-outdoor.html
