Skapandet av 270 nm-våglängds djup ultraviolett-C (UVC)-matriser av mikro-lysdioder för masklös närhetsfotolitografi rapporteras av kinesiska forskare [Feng Feng et al, nature photonics, publicerad online 15 oktober 2024].
"UVC-mikro-LED-arrayer värderas allt mer inom fotolitografi och fotokemi som verktyg för att generera godtyckliga bildmönster och överföra dem till ljus-känsliga material som fotoresist, vilket eliminerar behovet av kostsamma fotomasker", säger teamet från Suzhou Institute of Nanotech and Nano- University of Science and Science and Technology and Hong Kong University of Science and Science and Hong Kong University of Science and Technology and Hong Kong University.
I motsats till kvicksilverånglampor har UVC-lysdioder historiskt utvecklats främst för virussteriliseringsapplikationer på grund av deras höga effektivitet, långa livslängd och inga miljöeffekter.
Ett flip-chip UVC mikro-LED-system visas i figur 1. b. Formen på 6μmx6μm UVC-mikro-LED-matrisen sett med svepelektronmikroskopi, med en 5μmx5μm fristående-matris som ingår som en insats. c. Mikrografi av fristående enheter med elektroluminescens (EL).
UVC LED-arrayerna skapades av forskarna med hjälp av kommersiella 2-tums epitaxiella wafers av aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) (Figur 1). "Denna uttalade böjningseffekt utgör ett stort hinder för att uppnå stor-format UVC-mikro-LED-skärmar, eftersom den orsakar betydande inriktningsluckor under tillverkningsprocesser som elektrodmönster, håletsning och flip-chip-bindning", noterar teamet och hänvisar till svårigheterna som orsakas av wafers mer än wafers.
Töjningseffekterna som orsakas av det anmärkningsvärda gallret och den termiska expansionsmissanpassningen mellan safirsubstratet och AlGaN-skikten är kopplade till denna böjning.
Genom att använda små wafer-delar som var singulerade via lasertärning kunde forskarna minska påverkan av böjningen och uppnå acceptabel precision i arraymönster ner till 3 μm mesabredder.
Ultratunt nickel/guld, som är nästan genomskinligt i UVC-våglängdsområdet, utgjorde den övre p-kontakten.
Under omvänd förspänning visade den resulterande enheten mycket låga läckströmmar, under mätutrustningens detekteringsgräns på 100fA. Teamet noterar att detta beror på passivering av atomskiktsdeposition (ALD)- och den minskade sidoväggsskadan som orsakas av behandling med tetrametylammoniumhydroxid (TMAH).
större strömtäthet för en given förspänning visade sig vara fördelaktigt för mindre enheter, vilket ledde till större strömlikformighet genom hela lysdioden.
"Det förbättrade förhållandet mellan yta-till-volym och minskad ström-trängningseffekt hjälper till att förbättra värmeavledning i mindre enheter, vilket minskar termisk försämring under hög ströminjektion", säger teamet.
När förspänningen framåt steg från 3,95 V till 4,2 V, minskade enheternas idealitetsfaktor från 3,9 till 2,8. Icke-radiativ rekombination till följd av de epitaxiella skivornas suboptimala kvalitet tillskrivs den höga idealiteten.
Enligt forskarna var sidoväggarna en nästan obetydlig källa till icke-radiativa rekombinationscentra på grund av TMAH- och passiveringsbehandlingarna de använde. Det fanns ändå en indikation på att "passiverings- och TMAH-behandlingarna kanske inte är helt effektiva för att undertrycka icke-strålningsrekombinationer som härrör från defekter orsakade av sidoväggsskador" i de mindre enheterna, ner till 3 μm.
När enhetens storlek krymper från 100 μm till 3 μm, pressar den maximala externa kvanteffektiviteten (Figur 2) mot större strömtätheter, från 15A/cm2 till 70A/cm2. EQE:erna var en storleksordning lägre än vad som kunde erhållas med gröna eller blå passiverade lysdioder.
Figur 2 visar topp-EQE- och EQE-droop-förhållandet för varje enhetsstorlek (punkter) tillsammans med trendlinjer i förhållande till toppvärdet.
"EQE-sänkningen minskar från 67,5% till 17,9% när enhetens storlek minskar", konstaterar teamet, vilket visar att mindre enheter ger förbättrad stabilitet för ljusemission vid högre strömtätheter på grund av deras överlägsna värmeavledning.
Högre-strömspridningslikformighet och förbättrad ljusextraktionseffektivitet (LEE) krediteras av forskarna för ökningen av EQE för diametrar mindre än 30 μm. "Mindre enheter avger ljus närmare sidoväggarna, vilket resulterar i mer sidoväggsbrytning och följaktligen högre LEE", säger forskarna.
Enheternas fulla-bredd vid halva maximum (FWHM) var mindre än 21 nm, och deras toppvåglängd var runt 270 nm. Vid låga strömmar, 3μm-enhetens toppvåglängd blåskiftades med 2 nm, medan den vid högre strömmar (över 70A/cm2) rödskiftade med 1 nm.
Enligt forskarna är denna förändring resultatet av att band-fyllningseffekter och själv-uppvärmning-inducerad bandgap krymper som konkurrerar med varandra. Den förbättrade värmeöverföringsvägen, som orsakar en långsammare ökning av korsningstemperaturen, är ansvarig för den totala spektralförskjutningen över alla strömtätheter, som bara är cirka 2 nm.
Med en densitet på 43,6 W/cm2 var ljusutgångseffekten (LOP) för 100 μm lysdioderna 4,5 mW vid 35 mA. Den maximala LOP-densiteten för 3μm lysdioderna var 396W/cm2. "Detta kan också bero på den vågledande effekten i AlGaN-multi-lager, där större enheter upplever ökad effektförlust på grund av en längre optisk väg från de emitterande multipla kvantbrunnarna till luften." Teamet noterar att mindre enheter, med bättre{11}}strömspridningslikformighet och termisk stabilitet, kan upprätthålla högre strömtätheter och därigenom uppnå större optiska effekttätheter.
Extrema korsningstemperaturer orsakade av drift vid maximal strömförsörjning ökar åldrandet och orsakar termisk försämring.
3μm-enhetens LOP-densitet var 25,9 W/cm2 vid 100A/cm2. Detta har "utmärkt potential som fotolitografisk ljuskälla", enligt forskarna.
Baserat på 6 μm enheter vid 10 μm pitch kunde forskarna utöka storleken på UVC LED-arrayer från de 16x16 pixlar som tidigare dokumenterats i den vetenskapliga litteraturen till 160x90 pixlar (2540/tum). För förbättrad utsugning av bakre-sidoljus genom det tunnare safirsubstratet belades arrayerna med en mycket UVC-reflekterande Al-topyta.
Med en framåtförspänning på 12V och en strömtäthet på 20A/cm2 producerade arrayen en optisk uteffekt på 16,6mW. Vid 8A/cm2 nådde EQE en topp på 4,1%.
Enligt forskarna, "UVC-mikro-LED-skärmen överträffar 25mW/cm2-kalibreringen av 365nm-kvicksilverlampan som används i Karl Suss MA-6 mask aligner för att möta kraven på fotoresistexponeringsdos genom att erbjuda en adekvat optisk effekttäthet på upp till 1,1W/cm2 för helskärmsbelysning."
För att utvärdera fotolitografiska kapaciteter användes en 320x140 UVC-array med 9μm pixlar med 12μm avstånd (Figur 3). Indiumbullar användes för att vända-chiplimma arrayen på ett CMOS-drivrutinchip. Den i-linjekänsliga AZ MiR 703 i en närhetsmönsteruppsättning fungerade som testets fotoresist. Synliga mikro-LED-skärmar kan till exempel göras med hjälp av fotolitografi.
Figur 3: UVC mikro-LED-displayfotolitografi avslöjar ytprofilen (höger) och masklösa fotolitografibilder (vänster) på fotoresist-belagda wafers. Under fem sekunder var exponeringen 80mA.
Även om den strukturella upplösningen inte är lika bra som den som uppnås med kontaktexponering, påpekar forskarna att masklös fotolitografi kan förbättras mycket av liknande lins- och fokuseringsmetoder. Sådana masklösa fotolitografimetoder kan spara halvledarindustrin en betydande mängd tid och pengar genom att avskaffa kravet på laserskrivmasker-, särskilt eftersom smalare linjebredder ner till pixelstorleken på mikro-displaykretsar visar ett enormt lovande.
Genom att förbättra kvaliteten på den epitaxiella skivan och uppnå mer exakt justering vill forskarna gå över den nuvarande begränsningen på 320x140 pixlar och öppna dörren för mycket högre-upplösning UVC mikro-LED-skärmar med upp till 8K pixlar i varje dimension, vilket krävs för HD- och UHD-upplösningar.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-lampa/led-solar-gata-ljus-outdoor.html
