Chińscy badacze zgłosili utworzenie układów mikro-diod LED w-głębokim ultrafiolecie-C (UVC) o długości fali 270 nm do fotolitografii zbliżeniowej bez maski [Feng Feng i in., Nature Photonics, publikacja online 15 października 2024 r.].
„Macierze UVC mikro-LED są coraz bardziej cenione w fotolitografii i fotochemii jako narzędzia do generowania dowolnych wzorów obrazów i przenoszenia ich na-czułe na światło materiały, takie jak fotomaski, co eliminuje potrzebę stosowania kosztownych fotomasek” – zauważa zespół z Instytutu Nanotech i Nano-Bioniki w Suzhou, Południowego Uniwersytetu Nauki i Technologii oraz Uniwersytetu Nauki i Technologii w Hongkongu.
W przeciwieństwie do lamp rtęciowych, diody UVC LED były od dawna opracowywane głównie do zastosowań w sterylizacji wirusów ze względu na ich wysoką wydajność, długą żywotność i brak wpływu na środowisko.
System z mikro-chipami UVC-LED typu flip-chip pokazano na rysunku 1. b. Kształt matrycy mikro-LED UVC UVC widziany w skaningowej mikroskopii elektronowej, z pojedynczą matrycą-5 μm x 5 μm dołączoną jako wstawka. C. Mikrografia samodzielnych urządzeń wykorzystująca elektroluminescencję (EL).
Naukowcy stworzyli matryce UVC LED przy użyciu dostępnych na rynku 2-calowych płytek epitaksjalnych z azotku glinu i galu (AlGaN) (rysunek 1). „Ten wyraźny efekt wyginania stanowi główną przeszkodę w tworzeniu wielkoformatowych-mikro-wyświetlaczy LED UVC, ponieważ powoduje znaczne luki w wyrównaniu podczas procesów produkcyjnych, takich jak modelowanie elektrod, wytrawianie otworów i łączenie typu flip-chip” – zauważa zespół, odnosząc się do trudności spowodowanych wyginaniem się płytek o wartości ponad 100 μm.
Efekty odkształceń spowodowane zauważalnym niedopasowaniem sieci i rozszerzalności cieplnej pomiędzy podłożem szafirowym a warstwami AlGaN są powiązane z tym zginaniem.
Wykorzystując maleńkie fragmenty płytek, które wyodrębniono za pomocą cięcia laserowego, naukowcom udało się zmniejszyć wpływ zginania i osiągnąć akceptowalną precyzję układania wzorów aż do mesa szerokości 3 μm.
Górny kontakt- stanowił ultracienki nikiel/złoto, który jest prawie przezroczysty w zakresie długości fal UVC.
Przy polaryzacji zaporowej powstałe urządzenie wykazywało bardzo niskie prądy upływowe, poniżej granicy wykrywalności sprzętu pomiarowego 100fA. Zespół zauważa, że jest to spowodowane osadzaniem się warstwy atomowej (ALD)-pasywacją ścian bocznych oraz zmniejszonymi uszkodzeniami ścian bocznych powodowanymi przez obróbkę wodorotlenkiem tetrametyloamoniowym (TMAH).
Wykazano, że większa gęstość prądu dla danego obciążenia jest korzystna w przypadku mniejszych urządzeń, prowadząc do większej równomierności prądu w całej diodzie LED.
„Ulepszony stosunek powierzchni- do-objętości i zmniejszony- efekt stłoczenia prądu pomagają poprawić rozpraszanie ciepła w mniejszych urządzeniach, ograniczając degradację termiczną pod wpływem wtrysku wysokiego prądu” – zauważa zespół.
Gdy napięcie przewodzenia wzrosło z 3,95 V do 4,2 V, współczynnik idealności urządzeń spadł z 3,9 do 2,8. Za wysoką idealność uznawano nie-rekombinację promienistą wynikającą z suboptymalnej jakości płytek epitaksjalnych.
Według naukowców ściany boczne były prawie nieistotnym źródłem-nieradiacyjnych ośrodków rekombinacji ze względu na zastosowaną w nich obróbkę TMAH i pasywacją. Niemniej jednak istniały pewne przesłanki, że „pasywacja i obróbka TMAH mogą nie być całkowicie skuteczne w tłumieniu-rekombinacji niepromienistych wynikających z defektów spowodowanych uszkodzeniem ścian bocznych” w mniejszych urządzeniach, do 3 μm.
W miarę zmniejszania się rozmiaru urządzenia ze 100 μm do 3 μm szczytowa zewnętrzna wydajność kwantowa (rysunek 2) przesuwa się w stronę większych gęstości prądu, wahając się od 15 A/cm2 do 70 A/cm2. Wartości EQE były o rząd wielkości niższe niż te, które można było uzyskać w przypadku diod LED pasywowanych na zielono lub niebiesko.
Rysunek 2 przedstawia szczytowy współczynnik EQE i współczynnik spadku EQE dla każdego rozmiaru urządzenia (kropki) wraz z liniami trendu w odniesieniu do wartości szczytowej.
„Spadek EQE zmniejsza się z 67,5% do 17,9% wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru urządzenia” – stwierdza zespół, wykazując, że mniejsze urządzenia zapewniają lepszą stabilność emisji światła przy wyższych gęstościach prądu ze względu na lepsze rozpraszanie ciepła.
Badacze przypisują wyższą-równomierność rozprowadzania prądu i lepszą wydajność ekstrakcji światła (LEE) wzrost EQE dla średnic mniejszych niż 30 μm. „Mniejsze urządzenia emitują światło bliżej ścian bocznych, co skutkuje większym załamaniem ścian bocznych, a w konsekwencji wyższym LEE” – twierdzą naukowcy.
Pełna-szerokość w połowie maksimum (FWHM) urządzeń była mniejsza niż 21 nm, a ich szczytowa długość fali wynosiła około 270 nm. Przy niskich prądach szczytowa długość fali urządzenia 3 μm przesunęła się w stronę błękitu o 2 nm, natomiast przy wyższych prądach (powyżej 70 A/cm2) przesunęła się w stronę czerwieni o 1 nm.
Zdaniem naukowców zmiana ta jest wynikiem konkurujących ze sobą efektów-wypełniania pasm i-samonagrzewania-wywoływanego przez samonagrzewanie{2}}kurczenia pasma wzbronionego. Ulepszona droga wymiany ciepła, która powoduje wolniejszy wzrost temperatury złącza, jest odpowiedzialna za całkowite przesunięcie widma we wszystkich gęstościach prądu, które wynosi tylko około 2 nm.
Przy gęstości 43,6 W/cm2 moc wyjściowa światła (LOP) diod LED 100 μm wyniosła 4,5 mW przy 35 mA. Maksymalna gęstość LOP dla diod LED 3μm wynosiła 396W/cm2. „Może to być również spowodowane efektem falowodu w wielo-warstwach AlGaN, gdzie większe urządzenia doświadczają zwiększonej utraty mocy ze względu na dłuższą ścieżkę optyczną z wielu emisyjnych studni kwantowych do powietrza”. Zespół zauważa, że mniejsze urządzenia charakteryzujące się lepszą-równomiernością rozprowadzania prądu i stabilnością termiczną mogą wytrzymać wyższe gęstości prądu, osiągając w ten sposób większą gęstość mocy optycznej.
Ekstremalne temperatury złączy spowodowane pracą przy maksymalnym punkcie mocy zwiększają starzenie i powodują pogorszenie termiczne.
Gęstość LOP urządzenia 3 μm wyniosła 25,9 W/cm2 przy 100 A/cm2. Według naukowców ma to „doskonały potencjał jako źródło światła do fotolitografii”.
W oparciu o urządzenia 6 μm o odstępie 10 μm badacze byli w stanie zwiększyć rozmiar matryc UVC LED z 16 x 16 pikseli, które były wcześniej udokumentowane w literaturze naukowej, do 160 x 90 pikseli (2540/cal). Aby poprawić ekstrakcję tylnego światła-bocznego przez cieńsze podłoże szafirowe, matryce pokryto górną powierzchnią Al o wysokim współczynniku odbicia UVC-.
Przy napięciu przewodzenia 12 V i gęstości prądu 20 A/cm2, układ wytworzył optyczną moc wyjściową 16,6 mW. Przy natężeniu 8 A/cm2 EQE osiągnęło najwyższy poziom 4,1%.
Według badaczy „Wyświetlacz UVC micro-LED przewyższa kalibrację 25 mW/cm2 lampy rtęciowej 365 nm stosowanej w urządzeniu do wyrównywania masek Karl Suss MA-6, aby spełnić wymagania dotyczące dawki ekspozycji fotorezystu, oferując odpowiednią gęstość mocy optycznej wynoszącą do 1,1 W/cm2 dla oświetlenia pełnoekranowego”.
Do oceny możliwości fotolitografii wykorzystano matrycę UVC o wymiarach 320x140 z pikselami o wielkości 9 μm w odstępie 12 μm (rysunek 3). Do odwrócenia-układu chipowego i przyklejenia go do układu sterownika CMOS wykorzystano uderzenia indu. Jako fotomaskę testową służył czuły na-linię AZ MiR 703 w konfiguracji z wzorami zbliżeniowymi. Na przykład widoczne mikrowyświetlacze-LED można wykonać przy użyciu metody fotolitografii.
Rysunek 3: Fotolitografia na wyświetlaczu mikro-LED UVC ukazuje profil powierzchni (po prawej) i zdjęcia fotolitograficzne bez maski (po lewej) na płytkach-pokrytych fotorezystem. Przez pięć sekund ekspozycja wynosiła 80 mA.
Chociaż rozdzielczość strukturalna nie jest tak dobra, jak ta osiągana przy ekspozycji kontaktowej, badacze zauważają, że fotolitografię bez maski można znacznie poprawić, stosując podobne soczewki i metody ogniskowania. Takie metody fotolitografii bez maski mogą zaoszczędzić branży półprzewodników znaczną ilość czasu i pieniędzy, eliminując wymóg stosowania laserowych masek-do pisania, zwłaszcza że węższe linie w obwodach mikro-wyświetlaczy są niezwykle obiecujące.
Poprawiając jakość płytki epitaksjalnej i uzyskując bardziej precyzyjne wyrównanie, badacze chcą ominąć obecne ograniczenie 320 x 140 pikseli i otworzyć drzwi dla wyświetlaczy LED UVC Micro-o znacznie wyższej rozdzielczości, z maksymalnie 8 tys. pikseli w każdym wymiarze, co jest wymagane w przypadku rozdzielczości HD i UHD.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-żarówka/led-solarna-uliczna-lampa-outdoor.html
