Η δημιουργία 270 nm-σε βάθους υπεριώδους-C (UVC) συστοιχιών μικρο-LED για φωτολιθογραφία εγγύτητας χωρίς μάσκα αναφέρεται από Κινέζους ερευνητές [Feng Feng et al, nature photonics, που δημοσιεύτηκε διαδικτυακά στις 15 Οκτωβρίου 2024].
"Οι συστοιχίες UVC micro-LED εκτιμώνται ολοένα και περισσότερο στη φωτολιθογραφία και τη φωτοχημεία ως εργαλεία για τη δημιουργία αυθαίρετων μοτίβων εικόνων και τη μεταφορά τους σε ευαίσθητα στο φως υλικά, όπως φωτοανθεκτικά υλικά, εξαλείφοντας την ανάγκη για δαπανηρές φωτομάσκες", παρατηρεί η ομάδα από το Suzhou Institute of Nanotech and Southern University of Science and Nano, University of Science, και Nano}{2} Τεχνολογία.
Σε αντίθεση με τους λαμπτήρες ατμού υδραργύρου, τα UVC LED έχουν ιστορικά αναπτυχθεί κυρίως για εφαρμογές αποστείρωσης από ιούς, λόγω της υψηλής απόδοσης, της μεγάλης διάρκειας ζωής και χωρίς περιβαλλοντικές επιπτώσεις.
Ένα αναδιπλούμενο-τσιπ UVC micro-σύστημα LED φαίνεται στο Σχήμα 1. β. Το σχήμα της συστοιχίας μικρο-LED UVC 6μmx6μm όπως φαίνεται από την ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, με μια ανεξάρτητη συστοιχία 5μmx5μm-που περιλαμβάνεται ως ένθετο. ντο. Μικρογραφία αυτόνομων συσκευών με χρήση ηλεκτροφωταύγειας (EL).
Οι συστοιχίες UVC LED δημιουργήθηκαν από τους ερευνητές χρησιμοποιώντας εμπορικές επιταξιακές γκοφρέτες νιτριδίου του γαλλίου (AlGaN) του εμπορίου 2-ιντσών (Εικόνα 1). "Αυτό το έντονο εφέ κάμψης αποτελεί σημαντικό εμπόδιο στην επίτευξη-μεγάλου φορμά UVC micro-οθονών LED, καθώς προκαλεί σημαντικά κενά ευθυγράμμισης κατά τη διάρκεια των διαδικασιών κατασκευής, όπως η χάραξη ηλεκτροδίων, η χάραξη οπών και η συγκόλληση με flip-chip", σημειώνει η ομάδα, αναφερόμενη στις δυσκολίες που προκαλούνται από το wafer.
Οι επιδράσεις καταπόνησης που προκαλούνται από την αξιοσημείωτη αναντιστοιχία πλέγματος και θερμικής διαστολής μεταξύ του υποστρώματος ζαφείρι και των στρωμάτων AlGaN συνδέονται με αυτήν την κάμψη.
Χρησιμοποιώντας μικροσκοπικά τμήματα γκοφρέτας που μονώθηκαν μέσω κοπής λέιζερ, οι ερευνητές μπόρεσαν να μειώσουν την επίδραση της κάμψης και να επιτύχουν αποδεκτή ακρίβεια στο μοτίβο συστοιχιών έως και 3μm πλάτη mesa.
Το εξαιρετικά λεπτό νικέλιο/χρυσός, το οποίο είναι σχεδόν διαφανές στην περιοχή μήκους κύματος UVC, αποτελούσε την επάνω επαφή p-.
Υπό αντίστροφη πόλωση, η προκύπτουσα συσκευή έδειξε πολύ χαμηλά ρεύματα διαρροής, κάτω από το όριο ανίχνευσης 100fA του εξοπλισμού μέτρησης. Η ομάδα σημειώνει ότι αυτό οφείλεται στην εναπόθεση ατομικού στρώματος (ALD)-παθητικοποίησης του πλευρικού τοιχώματος και στη μειωμένη βλάβη του πλευρικού τοιχώματος που προκαλείται από την επεξεργασία με υδροξείδιο του τετραμεθυλαμμωνίου (TMAH).
Η μεγαλύτερη πυκνότητα ρεύματος για μια δεδομένη μεροληψία αποδείχθηκε ότι είναι πλεονεκτική για μικρότερες συσκευές, οδηγώντας σε μεγαλύτερη ομοιομορφία ρεύματος σε όλο το LED.
"Οι βελτιωμένες αναλογίες-προς-όγκου και το μειωμένο ρεύμα-φαινόμενο συνωστισμού συμβάλλουν στη βελτίωση της απαγωγής θερμότητας σε μικρότερες συσκευές, μειώνοντας τη θερμική υποβάθμιση υπό έγχυση υψηλού ρεύματος", παρατηρεί η ομάδα.
Καθώς η προκατάληψη προς τα εμπρός αυξήθηκε από 3,95 V σε 4,2 V, ο συντελεστής ιδανικότητας των συσκευών μειώθηκε από 3,9 σε 2,8. Ο μη-ανασυνδυασμός ακτινοβολίας που προκύπτει από την υποβέλτιστη ποιότητα των επιταξιακών γκοφρετών πιστώθηκε με την υψηλή ιδεατότητα.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, τα πλευρικά τοιχώματα ήταν μια σχεδόν ασήμαντη πηγή μη-κέντρων ανασυνδυασμού ακτινοβολίας λόγω του TMAH και των θεραπειών παθητικοποίησης που χρησιμοποιούσαν. Ωστόσο, υπήρχαν κάποιες ενδείξεις ότι "οι θεραπείες παθητικοποίησης και TMAH μπορεί να μην είναι εντελώς αποτελεσματικές στην καταστολή μη-ανασυνδυασμών ακτινοβολίας που προέρχονται από ελαττώματα που προκαλούνται από βλάβη στο πλευρικό τοίχωμα" στις μικρότερες συσκευές, έως και 3μm.
Καθώς το μέγεθος της συσκευής συρρικνώνεται από 100μm σε 3μm, η μέγιστη εξωτερική κβαντική απόδοση (Εικόνα 2) ωθείται προς μεγαλύτερες πυκνότητες ρεύματος, από 15A/cm2 σε 70A/cm2. Τα EQE ήταν μια τάξη μεγέθους μικρότερη από αυτή που θα μπορούσε να ληφθεί με τα πράσινα ή μπλε παθητικοποιημένα LED.
Το Σχήμα 2 δείχνει το μέγιστο λόγο πτώσης EQE και EQE για κάθε μέγεθος συσκευής (κουκκίδες) μαζί με γραμμές τάσης σε σχέση με την τιμή κορυφής.
"Η πτώση EQE μειώνεται από 67,5% σε 17,9% καθώς μειώνεται το μέγεθος της συσκευής", διαπιστώνει η ομάδα, αποδεικνύοντας ότι οι μικρότερες συσκευές παρέχουν βελτιωμένη σταθερότητα της εκπομπής φωτός σε υψηλότερες πυκνότητες ρεύματος λόγω της ανώτερης διάχυσης θερμότητας.
Η υψηλότερη-ομοιομορφία διασποράς ρεύματος και η βελτιωμένη απόδοση εξαγωγής φωτός (LEE) πιστώνονται από τους ερευνητές για την αύξηση του EQE για διαμέτρους μικρότερες από 30 μm. «Οι μικρότερες συσκευές εκπέμπουν φως πιο κοντά στα πλευρικά τοιχώματα, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη διάθλαση του πλευρικού τοιχώματος και κατά συνέπεια υψηλότερο LEE», λένε οι ερευνητές.
Το πλήρες-πλάτος των συσκευών στο μισό μέγιστο (FWHM) ήταν μικρότερο από 21 nm και το μέγιστο μήκος κύματος τους ήταν περίπου 270 nm. Σε χαμηλά ρεύματα, το μέγιστο μήκος κύματος της συσκευής 3μm μετατοπίστηκε μπλε κατά 2 nm, ενώ σε υψηλότερα ρεύματα (πέραν των 70A/cm2), μετατοπίστηκε στο κόκκινο κατά 1 nm.
Σύμφωνα με τους επιστήμονες, αυτή η αλλαγή είναι το αποτέλεσμα των επιδράσεων πλήρωσης ζώνης και της συρρίκνωσης του χάσματος ζώνης που προκαλείται από την αυτο-θέρμανση-που ανταγωνίζονται μεταξύ τους. Η βελτιωμένη διαδρομή μεταφοράς θερμότητας, η οποία προκαλεί μια πιο αργή άνοδο της θερμοκρασίας της διασταύρωσης, είναι υπεύθυνη για τη συνολική φασματική μετατόπιση σε όλες τις πυκνότητες ρεύματος, η οποία είναι μόνο περίπου 2 nm.
Με πυκνότητα 43,6 W/cm2, η ισχύς εξόδου φωτός (LOP) των LED 100μm ήταν 4,5mW στα 35mA. Η μέγιστη πυκνότητα LOP για τα LED 3μm ήταν 396W/cm2. "Αυτό μπορεί επίσης να οφείλεται στο φαινόμενο καθοδήγησης κυμάτων στα πολλαπλά-επίπεδα AlGaN, όπου οι μεγαλύτερες συσκευές παρουσιάζουν αυξημένη απώλεια ισχύος λόγω μιας μεγαλύτερης οπτικής διαδρομής από τα πολλαπλά κβαντικά πηγαδάκια εκπομπής προς τον αέρα." Η ομάδα σημειώνει ότι μικρότερες συσκευές, με καλύτερη ομοιομορφία{11}}διασποράς ρεύματος και θερμική σταθερότητα, μπορούν να διατηρήσουν υψηλότερες πυκνότητες ρεύματος, επιτυγχάνοντας έτσι μεγαλύτερες πυκνότητες οπτικής ισχύος.
Οι ακραίες θερμοκρασίες διασταύρωσης που προκαλούνται από τη λειτουργία στο μέγιστο σημείο ισχύος αυξάνουν τη γήρανση και προκαλούν θερμική υποβάθμιση.
Η πυκνότητα LOP της συσκευής 3μm ήταν 25,9W/cm2 στα 100A/cm2. Αυτό έχει «εξαιρετικές δυνατότητες ως πηγή φωτός φωτολιθογραφίας», σύμφωνα με τους ερευνητές.
Με βάση συσκευές 6μm σε βήμα 10μm, οι ερευνητές μπόρεσαν να επεκτείνουν το μέγεθος των συστοιχιών UVC LED από τα 16x16 pixel που είχαν προηγουμένως τεκμηριωθεί στην επιστημονική βιβλιογραφία σε 160x90 pixel (2540/ίντσα). Για βελτιωμένη εκχύλιση οπίσθιου-πλευρικού φωτός μέσω του λεπτότερου υποστρώματος ζαφείρι, οι συστοιχίες επικαλύφθηκαν με μια άκρως ανακλαστική UVC-επιφάνεια Al.
Με μπροστινή πόλωση 12 V και πυκνότητα ρεύματος 20 A/cm2, η συστοιχία παρήγαγε οπτική ισχύ εξόδου 16,6 mW. Στα 8A/cm2, το EQE κορυφώθηκε στο 4,1%.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, "Η οθόνη UVC micro-LED ξεπερνά τη βαθμονόμηση 25 mW/cm2 της λάμπας υδραργύρου 365 nm που χρησιμοποιείται στον ευθυγραμμιστή μάσκας Karl Suss MA-6 για να καλύψει τις απαιτήσεις δόσης έκθεσης φωτοανθεκτικού, προσφέροντας επαρκή πυκνότητα οπτικής ισχύος από 2 έως 2/cm πλήρους οθόνης.
Για την αξιολόγηση των δυνατοτήτων φωτολιθογραφίας, χρησιμοποιήθηκε μια συστοιχία UVC 320x140 με pixel 9μm σε απόσταση 12μm (Εικόνα 3). Χρησιμοποιήθηκαν εξογκώματα ινδίου για την αναστροφή-κόλλας τσιπ της συστοιχίας σε ένα τσιπ προγράμματος οδήγησης CMOS. Το i{8}}ευαίσθητο AZ MiR 703 σε μια διάταξη σχεδίασης εγγύτητας χρησίμευσε ως φωτοαντίσταση της δοκιμής. Ορατές μικρο{11}}οθόνες LED, για παράδειγμα, μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας τη φωτολιθογραφία.
Εικόνα 3: Η φωτολιθογραφία οθόνης UVC μικρο-LED αποκαλύπτει το προφίλ της επιφάνειας (δεξιά) και τις φωτογραφίες φωτολιθογραφίας χωρίς μάσκα (αριστερά) σε γκοφρέτες με επίστρωση φωτοανθεκτικού-. Για πέντε δευτερόλεπτα, η έκθεση ήταν στα 80 mA.
Αν και η δομική ανάλυση δεν είναι τόσο καλή όσο αυτή που επιτυγχάνεται με την έκθεση σε επαφή, οι ερευνητές παρατηρούν ότι η φωτολιθογραφία χωρίς μάσκα μπορεί να βελτιωθεί πολύ με παρόμοιους φακούς και μεθόδους εστίασης. Τέτοιες μέθοδοι φωτολιθογραφίας χωρίς μάσκα μπορεί να εξοικονομήσουν σημαντικό χρόνο και χρήμα στη βιομηχανία ημιαγωγών, καταργώντας την απαίτηση για μάσκες γραφής με λέιζερ, ειδικά επειδή τα στενότερα πλάτη γραμμής έως το μέγεθος των pixel των μικρο-κυκλωμάτων οθόνης υπόσχονται τεράστια υποσχέσεις.
Βελτιώνοντας την ποιότητα της επιταξιακής γκοφρέτας και επιτυγχάνοντας πιο ακριβή ευθυγράμμιση, οι ερευνητές θέλουν να ξεπεράσουν τον τρέχοντα περιορισμό των 320x140 pixel και να ανοίξουν την πόρτα για πολύ υψηλότερης-ανάλυσης UVC micro{3}}οθόνες LED με έως και 8K pixel σε κάθε διάσταση, που απαιτείται για αναλύσεις HD και UHD.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/led-solar-street-light-outdoor.html
