Čínski vedci oznámili vytvorenie 270 nm-hlbokej vlnovej dĺžky ultrafialového-C (UVC) polí mikro-LED pre bezmaskovú blízkosť fotolitografiu [Feng Feng et al, nature photonics, publikované online 15. októbra 2024].
„UVC mikro-polia LED sa vo fotolitografii a fotochémii čoraz viac oceňujú ako nástroje na generovanie ľubovoľných obrazových vzorov a ich prenos na svetlo-citlivé materiály, ako sú fotorezisty, čím sa eliminuje potreba drahých fotomasiek,“ poznamenáva tím zo Suzhou Institute of Nanotech and Nano-Bionics, Hong Kong Technology University a Southern Technology University of Science and Technology.
Na rozdiel od ortuťových výbojok, UVC LED boli historicky vyvinuté predovšetkým pre aplikácie vírusovej sterilizácie, pretože majú vysokú účinnosť, dlhú životnosť a nemajú žiadny vplyv na životné prostredie.
Flip-čipový UVC mikro-systém LED je znázornený na obrázku 1. b. Tvar 6 μm x 6 μm UVC mikro-pole LED, ako ho možno vidieť skenovacou elektrónovou mikroskopiou, so samostatným poľom 5 μm x 5 μm- zahrnutým ako vložka. c. Mikrografia samostatných zariadení pomocou elektroluminiscencie (EL).
Polia UVC LED vytvorili výskumníci s použitím komerčných 2- palcových epitaxných plátkov z nitridu hliníka a gália (AlGaN) (obrázok 1). „Tento výrazný efekt vyklenutia predstavuje hlavnú prekážku pri dosahovaní veľkoformátových mikro{5}}LED displejov UVC, pretože spôsobuje značné medzery v zarovnaní počas výrobných procesov, ako je vzorovanie elektród, leptanie otvorov a spájanie flip-chip,“ poznamenáva tím s odkazom na ťažkosti spôsobené vyklenutím doštičiek viac ako 100 μm.
S týmto ohybom sú spojené deformačné účinky spôsobené pozoruhodnou mriežkou a nesúladom tepelnej rozťažnosti medzi zafírovým substrátom a vrstvami AlGaN.
Použitím malých častí plátku, ktoré boli oddelené pomocou laserového krájania, boli výskumníci schopní znížiť vplyv ohýbania a dosiahnuť prijateľnú presnosť vzorovania polí až do šírky 3 μm mesa.
Ultratenký nikel/zlato, ktorý je v oblasti vlnovej dĺžky UVC takmer priehľadný, tvorí horný p{0}}kontakt.
Pri reverznej odchýlke výsledné zariadenie vykazovalo veľmi nízke zvodové prúdy, pod detekčným limitom meracieho zariadenia 100fA. Tím poznamenáva, že je to kvôli depozícii atómovej vrstvy (ALD)- v dôsledku pasivácie bočnej steny a zníženého poškodenia bočnej steny spôsobeného úpravou tetrametylamóniumhydroxidom (TMAH).
väčšia prúdová hustota pre danú odchýlku sa ukázala ako výhodná pre menšie zariadenia, čo vedie k väčšej rovnomernosti prúdu v celej LED.
„Vylepšený pomer povrchu-k{1}}objemu a znížený{2}}preplňovací efekt pomáhajú zlepšiť rozptyl tepla v menších zariadeniach, čím sa znižuje tepelná degradácia pri vstrekovaní vysokého prúdu,“ poznamenáva tím.
Keď sa predpätie zvýšilo z 3,95 V na 4,2 V, faktor ideality zariadení sa znížil z 3,9 na 2,8. Neradiatívna rekombinácia, ktorá je výsledkom suboptimálnej kvality epitaxných plátkov, bola pripísaná vysokej ideálnosti.
Podľa vedcov boli bočné steny takmer bezvýznamným zdrojom ne-radiačných rekombinačných centier kvôli TMAH a pasivácii, ktorú používali. Existovali však určité náznaky, že „pasivácia a ošetrenie TMAH nemusia byť úplne účinné pri potláčaní ne-radiačných rekombinácií pochádzajúcich z defektov spôsobených poškodením bočnej steny“ v menších zariadeniach až do 3 μm.
Keď sa veľkosť zariadenia zmenšuje zo 100 μm na 3 μm, špičková externá kvantová účinnosť (obrázok 2) smeruje k vyšším prúdovým hustotám, ktoré sa pohybujú od 15A/cm2 do 70A/cm2. EQE boli rádovo nižšie ako tie, ktoré bolo možné získať so zelenými alebo modrými pasivovanými LED diódami.
Obrázok 2 zobrazuje vrchol EQE a pomer poklesu EQE pre každú veľkosť zariadenia (bodky) spolu s trendovými čiarami vzhľadom na maximálnu hodnotu.
„Pokles EQE sa znižuje zo 67,5 % na 17,9 % so zmenšujúcou sa veľkosťou zariadenia,“ zistil tím, čo dokazuje, že menšie zariadenia poskytujú lepšiu stabilitu vyžarovania svetla pri vyšších prúdových hustotách vďaka ich vynikajúcemu odvodu tepla.
Vyššia{0}}rovnomernosť šírenia prúdu a zlepšená účinnosť extrakcie svetla (LEE) sú pripisované výskumníkom za nárast EQE pre priemery menšie ako 30 μm. "Menšie zariadenia vyžarujú svetlo bližšie k bočným stenám, čo vedie k väčšiemu lomu bočných stien a následne k vyššiemu LEE," tvrdia vedci.
Úplná-šírka zariadení pri polovičnom maxime (FWHM) bola menšia ako 21 nm a ich maximálna vlnová dĺžka bola približne 270 nm. Pri nízkych prúdoch sa maximálna vlnová dĺžka zariadenia 3 μm posunula namodro o 2 nm, zatiaľ čo pri vyšších prúdoch (nad 70 A/cm2) sa posunula načerveno o 1 nm.
Podľa vedcov je táto zmena výsledkom -efektov vypĺňania pásiem a samo{1}}zahrievania-indukovaného zmenšovania medzery medzi pásmi, ktoré si navzájom konkurujú. Zlepšená cesta prenosu tepla, ktorá spôsobuje pomalší nárast teploty prechodu, je zodpovedná za celkový spektrálny posun naprieč všetkými prúdovými hustotami, čo je len asi 2 nm.
Pri hustote 43,6 W/cm2 bol svetelný výstupný výkon (LOP) 100μm LED 4,5 mW pri 35 mA. Maximálna hustota LOP pre 3μm LED bola 396 W/cm2. „Môže to byť spôsobené aj vlnovodným efektom vo viacvrstvách AlGaN, kde väčšie zariadenia zaznamenávajú zvýšenú stratu energie v dôsledku dlhšej optickej dráhy z emisných viacnásobných kvantových vrtov do vzduchu.“ Tím poznamenáva, že menšie zariadenia s lepšou rovnomernosťou šírenia prúdu{11}}a tepelnou stabilitou dokážu vydržať vyššie prúdové hustoty, čím sa dosahujú vyššie hustoty optického výkonu.
Extrémne teploty spojov spôsobené prevádzkou pri maximálnom výkone zvyšujú starnutie a spôsobujú tepelné poškodenie.
Hustota LOP zariadenia 3 μm bola 25,9 W/cm2 pri 100 A/cm2. To má podľa vedcov „vynikajúci potenciál ako fotolitografický svetelný zdroj“.
Na základe 6μm zariadení s rozstupom 10μm boli výskumníci schopní rozšíriť veľkosť UVC LED polí z 16x16 pixelov, ktoré boli predtým zdokumentované vo vedeckej literatúre, na 160x90 pixelov (2540/palec). Na zlepšenie extrakcie svetla zo zadnej-strany cez tenší zafírový substrát boli polia potiahnuté vysoko UVC-reflexným Al vrchným povrchom.
S predpätím 12 V a prúdovou hustotou 20 A/cm2 pole produkovalo optický výstupný výkon 16,6 mW. Pri 8A/cm2 EQE vyvrcholilo na úrovni 4,1 %.
Podľa výskumníkov „UVC mikro-LED displej prekonáva kalibráciu 25 mW/cm2 365nm ortuťovej výbojky použitej v maske Karl Suss MA-6, aby spĺňal požiadavky na expozičnú dávku fotorezistu tým, že ponúka primeranú hustotu optického výkonu až 1,1 W/cm2 pre osvetlenie celej obrazovky.“
Na vyhodnotenie možností fotolitografie sa použilo pole 320 x 140 UVC s 9 μm pixelmi vo vzdialenosti 12 μm (obrázok 3). Indium hrbolčeky sa použili na prevrátenie-čipu prilepením poľa na čip ovládača CMOS. I-citlivý AZ MiR 703 v nastavení priblíženia poslúžil ako fotorezist testu. Napríklad viditeľné mikro{11}}LED displeje môžu byť vyrobené pomocou fotolitografického prístupu.
Obrázok 3: Fotolitografia s UVC mikro-LED displejom odhaľuje profil povrchu (vpravo) a bezmaskové fotolitografické obrázky (vľavo) na doštičkách potiahnutých fotorezistom-. Počas piatich sekúnd bola expozícia 80 mA.
Hoci štrukturálne rozlíšenie nie je také dobré ako rozlíšenie dosiahnuté kontaktnou expozíciou, výskumníci poznamenávajú, že bezmasková fotolitografia môže byť oveľa vylepšená podobnými metódami šošoviek a zaostrovania. Takéto metódy bezmaskovej fotolitografie môžu polovodičovému priemyslu ušetriť značné množstvo času a peňazí tým, že sa zbavia požiadavky na laserové-písacie masky, najmä preto, že užšie šírky čiar až na veľkosť pixelov mikro-obvodov displeja predstavujú obrovský prísľub.
Zlepšením kvality epitaxného plátku a dosiahnutím presnejšieho zarovnania chcú výskumníci prekonať súčasné obmedzenie 320 x 140 pixelov a otvoriť dvere pre oveľa vyššie{2}}UVC mikro{3}}LED displeje s rozlíšením až 8 000 pixelov v každom rozmere, ktoré je potrebné pre HD a UHD rozlíšenie.
https://www.benweilight.com/lighting-trubica-žiarovka/led-solárne-pouličné-svetlo-outdoor.html
