Oprettelsen af 270 nm-bølgelængde dyb ultraviolet-C (UVC)-arrays af mikro-LED'er til maskeløs nærhedsfotolitografi er rapporteret af kinesiske forskere [Feng Feng et al, nature photonics, offentliggjort online 15. oktober 2024].
"UVC mikro-LED-arrays værdsættes i stigende grad inden for fotolitografi og fotokemi som værktøjer til at generere vilkårlige billedmønstre og overføre dem til lys-følsomme materialer som fotoresists, hvilket eliminerer behovet for dyre fotomasker," bemærker teamet fra Suzhou Institute of Nanotech and Nano-University of Science and Technology and Hong Kong University of Science and Technology and Hong Kong University.
I modsætning til kviksølvdamplamper er UVC-LED'er historisk blevet udviklet primært til virale steriliseringsapplikationer på grund af deres høje effektivitet, lange levetid og ingen miljøpåvirkning.
Et flip-chip UVC mikro-LED-system er vist i figur 1. b. Formen af 6μmx6μm UVC mikro-LED-array set ved scanningselektronmikroskopi, med et 5μmx5μm enkeltstående-array inkluderet som en indsats. c. Mikrografi af selvstændige enheder ved hjælp af elektroluminescens (EL).
UVC LED-arrays blev skabt af forskerne ved hjælp af kommercielle 2-tommer aluminium galliumnitrid (AlGaN) epitaksiale wafere (figur 1). "Denne udtalte bueeffekt udgør en stor hindring for at opnå stor-format UVC mikro-LED-skærme, da den forårsager betydelige justeringshuller under fremstillingsprocesser såsom elektrodemønstre, hulætsning og flip-chip-binding," bemærker teamet og henviser til de vanskeligheder, der er forårsaget af waferne.
Belastningseffekterne forårsaget af det bemærkelsesværdige gitter- og termiske ekspansionsmisforhold mellem safirsubstratet og AlGaN-lagene er forbundet med denne bøjning.
Ved at anvende bittesmå waferdele, der blev enkeltdelt via laser-terninger, var forskerne i stand til at mindske påvirkningen af bøjningen og opnå acceptabel præcision i array-mønster ned til 3μm mesa-bredder.
Ultratyndt nikkel/guld, som er næsten gennemsigtigt i UVC-bølgelængdeområdet, udgjorde den øverste p-kontakt.
Under omvendt bias viste den resulterende enhed meget lave lækstrømme, under måleudstyrets 100fA detektionsgrænse. Holdet bemærker, at dette er på grund af den atomare lagaflejring (ALD)-sidevægspassivering og den reducerede sidevægsskade forårsaget af behandling med tetramethylammoniumhydroxid (TMAH).
større strømtæthed for en given forspænding viste sig at være fordelagtig for mindre enheder, hvilket førte til større strømensartethed i hele LED'en.
"Det forbedrede forhold mellem overflade-til-volumen og reduceret strøm-opfyldningseffekt hjælper med at forbedre varmeafledningen i mindre enheder, hvilket reducerer termisk nedbrydning under høj strømindsprøjtning," bemærker teamet.
Da forspændingen steg fra 3,95 V til 4,2 V, faldt enhedernes idealitetsfaktor fra 3,9 til 2,8. Ikke-strålende rekombination som følge af de epitaksiale wafers suboptimale kvalitet blev krediteret med den høje idealitet.
Ifølge forskerne var sidevæggene en næsten ubetydelig kilde til ikke-strålende rekombinationscentre på grund af de TMAH- og passiveringsbehandlinger, de brugte. Der var ikke desto mindre en indikation på, at "passiverings- og TMAH-behandlingerne muligvis ikke er helt effektive til at undertrykke ikke-strålende rekombinationer, der stammer fra defekter forårsaget af sidevægsbeskadigelse" i de mindre enheder, ned til 3μm.
Da enhedens størrelse skrumper fra 100μm til 3μm, skubber den maksimale eksterne kvanteeffektivitet (figur 2) mod større strømtætheder, fra 15A/cm2 til 70A/cm2. EQE'erne var en størrelsesorden lavere end hvad der kunne opnås med grønne eller blå passiverede LED'er.
Figur 2 viser peak EQE og EQE faldforhold for hver enhedsstørrelse (prikker) sammen med trendlinjer i forhold til peak værdien.
"EQE-faldet falder fra 67,5% til 17,9%, efterhånden som enhedsstørrelsen falder," finder holdet, hvilket viser, at mindre enheder giver forbedret stabilitet af lysemission ved højere strømtætheder på grund af deres overlegne varmeafledning.
Højere-strømspredningsensartethed og forbedret lysudvindingseffektivitet (LEE) krediteres af forskerne for stigningen i EQE for diametre mindre end 30 μm. "Mindre enheder udsender lys tættere på sidevæggene, hvilket resulterer i mere sidevægsbrydning og dermed højere LEE," siger forskerne.
Enhedernes fulde-bredde ved halv maksimum (FWHM) var mindre end 21 nm, og deres maksimale bølgelængde var omkring 270 nm. Ved lave strømme blev 3μm-enhedens maksimale bølgelængde blåforskyd med 2 nm, mens den ved højere strømme (ud over 70A/cm2) blev rødforskudt med 1 nm.
Ifølge forskerne er denne ændring resultatet af bånd-fyldningseffekter og selv-opvarmning-induceret båndgab, der konkurrerer med hinanden. Den forbedrede varmeoverførselsrute, som forårsager en langsommere stigning i overgangstemperaturen, er ansvarlig for det samlede spektrale skift over alle strømtætheder, som kun er omkring 2 nm.
Med en tæthed på 43,6W/cm2 var lysudgangseffekten (LOP) af 100μm LED'erne 4,5mW ved 35mA. Den maksimale LOP-densitet for 3μm LED'erne var 396W/cm2. "Dette kan også skyldes den bølgeledende effekt i AlGaN multi-lag, hvor større enheder oplever øget strømtab på grund af en længere optisk vej fra de emissive multiple kvantebrønde til luften." Holdet bemærker, at mindre enheder med bedre{11}}strømspredende ensartethed og termisk stabilitet kan opretholde højere strømtætheder og derved opnå større optiske effekttætheder.
Ekstreme overgangstemperaturer forårsaget af drift ved maksimalt strømpunkt øger aldring og forårsager termisk forringelse.
3μm-enhedens LOP-densitet var 25,9W/cm2 ved 100A/cm2. Dette har "fremragende potentiale som en fotolitografisk lyskilde," ifølge forskerne.
Baseret på 6μm enheder ved 10μm pitch var forskerne i stand til at udvide størrelsen af UVC LED-arrays fra de 16x16 pixels, der tidligere var dokumenteret i den videnskabelige litteratur til 160x90 pixels (2540/inch). For forbedret udsugning af bagside-sidelys gennem det tyndere safirsubstrat blev arrays belagt med en yderst UVC-reflekterende Al-topoverflade.
Med en fremadgående bias på 12V og en strømtæthed på 20A/cm2 producerede arrayet en optisk udgangseffekt på 16,6mW. Ved 8A/cm2 toppede EQE på 4,1%.
Ifølge forskerne overgår UVC-mikro-LED-skærmen 25mW/cm2-kalibreringen af 365nm-kviksølvlampen, der bruges i Karl Suss MA-6-maskejusteringen for at opfylde kravene til fotoresisteksponeringsdosis ved at tilbyde en passende optisk effekttæthed på op til 1,1W/cm2 til fuldskærmslys.
For at evaluere fotolitografiske evner blev der brugt et 320x140 UVC-array med 9μm pixels med 12μm afstand (figur 3). Indium-buler blev brugt til at vende-chiplime arrayet på en CMOS-driverchip. Den i-linjefølsomme AZ MiR 703 i en nærhedsmønsteropsætning fungerede som testens fotoresist. Synlige mikro-LED-skærme kan for eksempel fremstilles ved hjælp af fotolitografimetoden.
Figur 3: UVC mikro-LED-skærmfotolitografi afslører overfladeprofilen (højre) og maskeløse fotolitografibilleder (venstre) på fotoresist-belagte wafere. I fem sekunder var eksponeringen ved 80mA.
Selvom den strukturelle opløsning ikke er så god som den, der opnås med kontakteksponering, bemærker forskerne, at maskeløs fotolitografi kan forbedres meget af lignende linse- og fokuseringsmetoder. Sådanne maskeløse fotolitografimetoder kan spare halvlederindustrien for en betydelig mængde tid og penge ved at gøre op med kravet om laser-skrivemasker, især fordi smallere linjebredder ned til pixelstørrelsen af mikro-displaykredsløb viser et enormt løfte.
Ved at forbedre kvaliteten af den epitaksiale wafer og opnå mere præcis justering ønsker forskerne at gennemgå den nuværende begrænsning på 320x140 pixels og åbne døren for meget højere-opløsning UVC mikro-LED-skærme med op til 8K pixels i hver dimension, hvilket er nødvendigt for HD- og UHD-opløsninger.
https://www.benweilight.com/lighting-rør-pære/led-sol-gade-lys-udendørs.html
