Chinesische Forscher berichten über die Schaffung von Mikro-LED-Arrays mit einer Wellenlänge von 270 nm-im tiefen Ultraviolett-C (UVC) für die maskenlose Proximity-Photolithographie [Feng Feng et al., Nature Photonics, online veröffentlicht am 15. Oktober 2024].
„UVC-Mikro-LED-Arrays werden in der Fotolithografie und Fotochemie zunehmend als Werkzeuge zur Erzeugung beliebiger Bildmuster und deren Übertragung auf lichtempfindliche Materialien wie Fotolacke geschätzt, wodurch kostspielige Fotomasken überflüssig werden“, bemerkt das Team vom Suzhou Institute of Nanotech and Nano{2}}Bionics, der Southern University of Science and Technology und der Hong Kong University of Science and Technology.
Im Gegensatz zu Quecksilberdampflampen wurden UVC-LEDs aufgrund ihrer hohen Effizienz, langen Lebensdauer und fehlenden Auswirkungen auf die Umwelt in der Vergangenheit hauptsächlich für Anwendungen zur Virussterilisation entwickelt.
Ein Flip-UVC-Mikro-LED-System ist in Abbildung 1 dargestellt. b. Die Form des 6 μm x 6 μm großen UVC-Mikro-LED-Arrays, wie durch Rasterelektronenmikroskopie gesehen, mit einem 5 μm x 5 μm großen eigenständigen Array als Einschub. C. Mikrofotografie eigenständiger Geräte mittels Elektrolumineszenz (EL).
Die UVC-LED-Arrays wurden von den Forschern unter Verwendung kommerzieller epitaktischer 2-Zoll-Wafer aus Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) erstellt (Abbildung 1). „Dieser ausgeprägte Verbiegungseffekt stellt ein großes Hindernis bei der Realisierung großformatiger UVC-Mikro--LED-Anzeigen dar, da er erhebliche Ausrichtungslücken bei Herstellungsprozessen wie Elektrodenstrukturierung, Lochätzung und Flip-Chip-Bonden verursacht“, stellt das Team fest und verweist auf die Schwierigkeiten, die durch die Verbiegung der Wafer von mehr als 100 μm verursacht werden.
Die Spannungseffekte, die durch die deutliche Fehlanpassung des Gitters und der thermischen Ausdehnung zwischen dem Saphirsubstrat und den AlGaN-Schichten hervorgerufen werden, hängen mit dieser Biegung zusammen.
Durch den Einsatz winziger Waferabschnitte, die durch Laserschneiden vereinzelt wurden, konnten die Forscher den Einfluss der Biegung verringern und eine akzeptable Präzision bei der Array-Strukturierung bis hin zu Mesa-Breiten von 3 μm erreichen.
Ultradünnes Nickel/Gold, das im UVC-Wellenlängenbereich nahezu transparent ist, bildete den oberen p{0}}-Kontakt.
Unter Sperrvorspannung zeigte das resultierende Gerät sehr niedrige Leckströme, die unterhalb der 100-fA-Erkennungsgrenze der Messgeräte lagen. Das Team stellt fest, dass dies auf die durch Atomlagenabscheidung (ALD)-gewachsene Seitenwandpassivierung und die verringerte Seitenwandschädigung durch die Behandlung mit Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) zurückzuführen ist.
Es hat sich gezeigt, dass eine höhere Stromdichte für eine bestimmte Vorspannung für kleinere Geräte von Vorteil ist und zu einer größeren Gleichmäßigkeit des Stroms in der gesamten LED führt.
„Die verbesserten Verhältnisse von Oberfläche{0}}zu-und der reduzierte Strom--Crowding-Effekt tragen dazu bei, die Wärmeableitung in kleineren Geräten zu verbessern und die thermische Verschlechterung bei der Einspeisung hoher Ströme zu reduzieren“, bemerkt das Team.
Als die Vorwärtsspannung von 3,95 V auf 4,2 V anstieg, verringerte sich der Idealitätsfaktor der Geräte von 3,9 auf 2,8. Die hohe Idealität wurde der nicht-strahlenden Rekombination zugeschrieben, die aus der suboptimalen Qualität der Epitaxiewafer resultierte.
Den Forschern zufolge waren die Seitenwände aufgrund der verwendeten TMAH- und Passivierungsbehandlungen eine nahezu unbedeutende Quelle nicht-strahlender Rekombinationszentren. Dennoch gab es Hinweise darauf, dass „die Passivierungs- und TMAH-Behandlungen bei der Unterdrückung nicht-strahlender Rekombinationen, die von durch Seitenwandschäden verursachten Defekten herrühren, in den kleineren Geräten bis hinunter zu 3 μm möglicherweise nicht vollständig wirksam sind.
Wenn die Gerätegröße von 100 μm auf 3 μm schrumpft, steigt die maximale externe Quanteneffizienz (Abbildung 2) zu höheren Stromdichten von 15 A/cm2 auf 70 A/cm2. Die EQEs lagen um eine Größenordnung unter dem, was mit grün oder blau passivierten LEDs erreicht werden konnte.
Abbildung 2 zeigt das Spitzen-EQE- und EQE-Droop-Verhältnis für jede Gerätegröße (Punkte) zusammen mit Trendlinien relativ zum Spitzenwert.
„Der EQE-Droop nimmt mit abnehmender Gerätegröße von 67,5 % auf 17,9 % ab“, stellt das Team fest und zeigt, dass kleinere Geräte aufgrund ihrer besseren Wärmeableitung eine verbesserte Stabilität der Lichtemission bei höheren Stromdichten bieten.
Die Forscher führen den Anstieg der EQE bei Durchmessern unter 30 μm auf eine höhere Gleichmäßigkeit der Stromverteilung und eine verbesserte Lichtextraktionseffizienz (LEE) zurück. „Kleinere Geräte emittieren Licht näher an den Seitenwänden, was zu einer stärkeren Seitenwandbrechung und folglich einem höheren LEE führt“, sagen die Forscher.
Die volle Halbwertsbreite (FWHM) der Geräte betrug weniger als 21 nm und ihre Spitzenwellenlänge lag bei etwa 270 nm. Bei niedrigen Strömen verschob sich die Spitzenwellenlänge des 3-μm-Geräts um 2 nm ins Blaue, während sie bei höheren Strömen (über 70 A/cm2) um 1 nm rotverschoben war.
Den Wissenschaftlern zufolge ist diese Veränderung das Ergebnis von Bandfülleffekten und durch Eigen-Erwärmung-induzierter Bandlückenverkleinerung, die miteinander konkurrieren. Der verbesserte Wärmeübertragungsweg, der zu einem langsameren Anstieg der Sperrschichttemperatur führt, ist für die gesamte spektrale Verschiebung über alle Stromdichten hinweg verantwortlich, die nur etwa 2 nm beträgt.
Bei einer Dichte von 43,6 W/cm2 betrug die Lichtausgangsleistung (LOP) der 100 μm-LEDs 4,5 mW bei 35 mA. Die maximale LOP-Dichte für die 3 μm-LEDs betrug 396 W/cm2. „Dies kann auch auf den wellenleitenden Effekt in AlGaN-Multi--Schichten zurückzuführen sein, bei denen größere Geräte aufgrund eines längeren optischen Pfads von den emittierenden mehreren Quantentöpfen zur Luft einen erhöhten Leistungsverlust erfahren.“ Das Team stellt fest, dass kleinere Geräte mit besserer Gleichmäßigkeit der Stromverteilung und thermischer Stabilität höhere Stromdichten aushalten und dadurch höhere optische Leistungsdichten erreichen können.
Extreme Sperrschichttemperaturen, die durch den Betrieb bei maximaler Leistung verursacht werden, erhöhen die Alterung und führen zu einer thermischen Verschlechterung.
Die LOP-Dichte des 3-μm-Geräts betrug 25,9 W/cm2 bei 100 A/cm2. Diese habe „ausgezeichnetes Potenzial als Photolithographie-Lichtquelle“, so die Forscher.
Basierend auf 6-μm-Geräten mit einem Abstand von 10 μm konnten die Forscher die Größe der UVC-LED-Arrays von den zuvor in der wissenschaftlichen Literatur dokumentierten 16 x 16 Pixeln auf 160 x 90 Pixel (2540/Zoll) erweitern. Für eine verbesserte Lichtauskopplung auf der Rückseite durch das dünnere Saphirsubstrat wurden die Arrays mit einer stark UVC-reflektierenden Al-Oberseite beschichtet.
Bei einer Vorwärtsspannung von 12 V und einer Stromdichte von 20 A/cm2 erzeugte das Array eine optische Ausgangsleistung von 16,6 mW. Bei 8A/cm2 erreichte der EQE einen Spitzenwert von 4,1 %.
Den Forschern zufolge „übertrifft das UVC-Mikro-LED-Display die 25-mW/cm2-Kalibrierung der 365-nm-Quecksilberlampe, die im Karl Suss MA-6-Mask-Aligner verwendet wird, um die Anforderungen an die Fotoresist-Belichtungsdosis zu erfüllen, indem es eine angemessene optische Leistungsdichte von bis zu 1,1 W/cm2 für die Vollbildbeleuchtung bietet.“
Zur Bewertung der Fotolithographiefähigkeiten wurde ein 320 x 140 großes UVC-Array mit 9 μm großen Pixeln in einem Abstand von 12 μm verwendet (Abbildung 3). Indium-Bumps wurden verwendet, um das Array auf einen CMOS-Treiberchip zu kleben. Der i-linienempfindliche AZ MiR 703 in einem Proximity-Musteraufbau diente als Fotolack des Tests. Sichtbare Mikro--LED-Anzeigen könnten beispielsweise mithilfe des Fotolithografie-Ansatzes hergestellt werden.
Abbildung 3: UVC-Mikro--LED-Display-Fotolithografie zeigt das Oberflächenprofil (rechts) und maskenlose Fotolithografiebilder (links) auf mit Fotolack-beschichteten Wafern. Fünf Sekunden lang erfolgte die Belichtung mit 80 mA.
Obwohl die strukturelle Auflösung nicht so gut ist wie die, die mit Kontaktbelichtung erreicht wird, bemerken die Forscher, dass die maskenlose Photolithographie durch ähnliche Linsen- und Fokussierungsmethoden erheblich verbessert werden könnte. Solche maskenlosen Photolithographieverfahren könnten der Halbleiterindustrie eine erhebliche Zeit- und Geldersparnis einsparen, da keine Laserschreibmasken mehr erforderlich sind, insbesondere weil schmalere Linienbreiten bis hinunter zur Pixelgröße von Mikrodisplayschaltkreisen äußerst vielversprechend sind.
Durch die Verbesserung der Qualität des Epitaxiewafers und das Erreichen einer präziseren Ausrichtung wollen die Forscher die derzeitige Beschränkung von 320 x 140 Pixeln überwinden und die Tür für viel höher auflösende UVC-Mikro-LED-Displays mit bis zu 8.000 Pixeln in jeder Dimension öffnen, was für HD- und UHD-Auflösungen erforderlich ist.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/led-solar-street-light-outdoor.html
