Čínští vědci oznámili vytvoření 270 nm-vlnových hlubokých ultrafialových-C (UVC) polí mikro-LED pro bezmaskovou blízkost fotolitografii [Feng Feng et al, nature photonics, zveřejněno online 15. října 2024].
„UVC mikro-LED pole jsou ve fotolitografii a fotochemii stále více ceněna jako nástroje pro generování libovolných obrazových vzorů a jejich přenos na světlo-citlivé materiály, jako jsou fotorezisty, čímž se eliminuje potřeba nákladných fotomasek,“ poznamenává tým z Suzhou Institute of Nanotech and Nano-Bionics, Hong Kong Technology University a Southern Technology University of Science and Technology.
Na rozdíl od rtuťových výbojek byly UVC LED historicky vyvíjeny především pro aplikace virové sterilizace, protože mají vysokou účinnost, dlouhou životnost a nemají žádný vliv na životní prostředí.
Flip-čip UVC mikro-LED systém je znázorněn na obrázku 1. b. Tvar 6μmx6μm UVC mikro-pole LED viděný rastrovací elektronovou mikroskopií, se samostatným polem 5μmx5μm-přiloženým jako vložka. C. Mikrofotografie samostatných zařízení pomocí elektroluminiscence (EL).
Pole UVC LED vytvořili vědci pomocí komerčních 2-palcových epitaxních plátků z nitridu hliníku a galia (AlGaN) (obrázek 1). „Tento výrazný efekt prohnutí představuje hlavní překážku při dosahování velkoformátových UVC mikro-LED displejů, protože způsobuje značné mezery ve vyrovnání během výrobních procesů, jako je vzorování elektrod, leptání otvorů a spojování flip-chip,“ poznamenává tým s odkazem na potíže způsobené prohnutím plátků o více než 100 μm.
S tímto ohybem souvisí deformační efekty způsobené pozoruhodnou mřížkou a nesouladem tepelné roztažnosti mezi safírovým substrátem a vrstvami AlGaN.
Použitím malých částí plátků, které byly odděleny pomocí laserového krájení, byli výzkumníci schopni snížit vliv ohýbání a dosáhnout přijatelné přesnosti ve vzorování pole až do šířky 3 μm mesa.
Ultratenký nikl/zlato, který je v oblasti vlnových délek UVC téměř průhledný, tvoří horní p-kontakt.
Při zpětném předpětí vykazovalo výsledné zařízení velmi nízké svodové proudy, pod detekčním limitem měřicího zařízení 100fA. Tým poznamenává, že je to kvůli depozici atomové vrstvy (ALD)- narůstající pasivací boční stěny a sníženému poškození boční stěny způsobeném působením tetramethylamoniumhydroxidu (TMAH).
větší proudová hustota pro dané předpětí se ukázala jako výhodná pro menší zařízení, což vedlo k větší proudové stejnoměrnosti v celé LED.
„Vylepšený poměr povrchu-k{1}}objemu a snížený-přeplňovací efekt proudu pomáhají zlepšit odvod tepla v menších zařízeních a snižují tepelnou degradaci při injektáži vysokého proudu,“ poznamenává tým.
Když se předpětí zvýšilo z 3,95 V na 4,2 V, faktor ideality zařízení se snížil z 3,9 na 2,8. Ne-radiační rekombinaci, která je výsledkem suboptimální kvality epitaxních plátků, byla připisována vysoká idealita.
Podle výzkumníků byly boční stěny téměř bezvýznamným zdrojem ne-radiačních rekombinačních center kvůli TMAH a pasivačnímu ošetření, které používali. Nicméně existovaly určité náznaky, že „pasivace a ošetření TMAH nemusí být zcela účinné při potlačování ne-radiačních rekombinací pocházejících z defektů způsobených poškozením bočních stěn“ v menších zařízeních až do 3 μm.
Jak se velikost zařízení zmenšuje ze 100 μm na 3 μm, maximální externí kvantová účinnost (obrázek 2) tlačí směrem k větší hustotě proudu, která se pohybuje od 15A/cm2 do 70A/cm2. EQE byly o řád nižší, než jaké bylo možné získat se zelenými nebo modrými pasivovanými LED.
Obrázek 2 ukazuje maximální EQE a poměr poklesu EQE pro každou velikost zařízení (body) spolu s trendovými liniemi vzhledem k maximální hodnotě.
„Pokles EQE se snižuje z 67,5 % na 17,9 %, jak se zmenšuje velikost zařízení,“ zjistil tým, který dokazuje, že menší zařízení poskytují zlepšenou stabilitu vyzařování světla při vyšších proudových hustotách díky jejich vynikajícímu odvodu tepla.
Vyšší rovnoměrnost šíření proudu- a zlepšená účinnost extrakce světla (LEE) jsou vědci připisovány nárůstu EQE pro průměry menší než 30 μm. "Menší zařízení vyzařují světlo blíže k bočním stěnám, což má za následek větší lom bočních stěn a následně vyšší LEE," říkají vědci.
Plná-šířka zařízení při polovičním maximu (FWHM) byla menší než 21 nm a jejich maximální vlnová délka byla přibližně 270 nm. Při nízkých proudech se maximální vlnová délka 3μm zařízení posunula do modra o 2 nm, zatímco při vyšších proudech (nad 70 A/cm2) se posunula do červena o 1 nm.
Podle vědců je tato změna důsledkem -efektu vyplňování pásem a samo{1}}zahřívání- zmenšování bandgapu, které si navzájem konkurují. Zlepšená cesta přenosu tepla, která způsobuje pomalejší nárůst teploty přechodu, je zodpovědná za celkový spektrální posun napříč všemi proudovými hustotami, který je pouze asi 2 nm.
S hustotou 43,6 W/cm2 byl světelný výstupní výkon (LOP) 100μm LED 4,5 mW při 35 mA. Maximální hustota LOP pro 3μm LED byla 396W/cm2. "Může to být také způsobeno vlnovodným efektem ve vícevrstvách AlGaN, kde větší zařízení zažívají zvýšené ztráty energie v důsledku delší optické dráhy z více emisních kvantových vrtů do vzduchu." Tým poznamenává, že menší zařízení s lepší{11}}stejnoměrností šíření proudu a tepelnou stabilitou dokážou udržet vyšší proudové hustoty, a tím dosáhnout větších hustot optického výkonu.
Extrémní teploty přechodu způsobené provozem na maximální výkon zvyšují stárnutí a způsobují tepelné poškození.
Hustota LOP zařízení 3μm byla 25,9 W/cm2 při 100A/cm2. To má podle vědců „vynikající potenciál jako fotolitografický zdroj světla“.
Na základě 6μm zařízení s roztečí 10μm byli vědci schopni rozšířit velikost polí UVC LED z 16x16 pixelů, které byly dříve dokumentovány ve vědecké literatuře, na 160x90 pixelů (2540/palec). Pro zlepšenou zadní-stranu odvádění světla přes tenčí safírový substrát byla pole potažena vysoce UVC-reflexním Al horním povrchem.
S dopředným předpětím 12 V a proudovou hustotou 20 A/cm2 pole produkovalo optický výstupní výkon 16,6 mW. Při 8A/cm2 dosáhlo EQE vrcholu 4,1 %.
Podle výzkumníků „UVC mikro-LED displej překonává kalibraci 25 mW/cm2 365nm rtuťové výbojky použité ve vyrovnávači masky Karl Suss MA-6, aby splnil požadavky na expoziční dávku fotorezistu tím, že nabízí přiměřenou hustotu optického výkonu až 1,1 W/cm2 pro osvětlení celé obrazovky.“
K vyhodnocení fotolitografických schopností bylo použito 320x140 UVC pole s 9μm pixely ve vzdálenosti 12μm (obrázek 3). Indium hrbolky byly použity k převrácení-čipu přilepením pole na čip ovladače CMOS. I-citlivý AZ MiR 703 v nastavení proximity patterning sloužil jako fotorezist testu. Pomocí fotolitografického přístupu lze vyrobit například viditelné mikro{11}}LED displeje.
Obrázek 3: Fotolitografie UVC mikro-LED displeje odhaluje profil povrchu (vpravo) a bezmaskové fotolitografické snímky (vlevo) na destičkách potažených fotorezistem-. Po dobu pěti sekund byla expozice 80 mA.
Ačkoli strukturální rozlišení není tak dobré jako rozlišení dosažené kontaktní expozicí, výzkumníci poznamenávají, že bezmasková fotolitografie může být mnohem vylepšena podobnými metodami čoček a zaostřování. Takovéto bezmaskové fotolitografické metody mohou ušetřit polovodičovému průmyslu značné množství času a peněz tím, že odstraní požadavek na laserové-písací masky, zejména proto, že užší šířky čar až na velikost pixelů mikro-obvodů displeje jsou ohromným příslibem.
Zlepšením kvality epitaxního plátku a dosažením přesnějšího zarovnání chtějí vědci překonat současné omezení 320 x 140 pixelů a otevřít dveře pro mnohem vyšší -UVC micro{3}}LED displeje s rozlišením až 8 000 pixelů v každém rozměru, což je vyžadováno pro rozlišení HD a UHD.
https://www.benweilight.com/lighting-trubice-žárovka/led-sluneční-pouliční-světlo-outdoor.html
