La creazione di array di micro-LED con lunghezza d'onda dell'ultravioletto profondo-C (UVC) da 270 nm-per la fotolitografia di prossimità senza maschera è stata segnalata da ricercatori cinesi [Feng Feng et al, nature photonics, pubblicato online il 15 ottobre 2024].
"Gli array di micro-LED UVC sono sempre più apprezzati nella fotolitografia e nella fotochimica come strumenti per generare modelli di immagini arbitrari e trasferirli su materiali-sensibili alla luce come i fotoresist, eliminando la necessità di costose fotomaschere", osserva il team del Suzhou Institute of Nanotech and Nano-Bionics, Southern University of Science and Technology e Hong Kong University of Science and Technology.
A differenza delle lampade ai vapori di mercurio, i LED UVC sono stati storicamente sviluppati principalmente per applicazioni di sterilizzazione virale grazie alla loro elevata efficienza, lunga durata e nessun effetto ambientale.
Un sistema LED-micro chip UVC-flip è mostrato nella Figura 1. b. La forma dell'array di micro-LED UVC da 6μmx6μm vista al microscopio elettronico a scansione, con un array autonomo da 5μmx5μm-incluso come inserto. C. Micrografia di dispositivi autonomi mediante elettroluminescenza (EL).
Gli array di LED UVC sono stati creati dai ricercatori utilizzando wafer epitassiali commerciali in nitruro di gallio e alluminio (AlGaN) da 2- pollici (Figura 1). "Questo pronunciato effetto di incurvamento rappresenta un grosso ostacolo nella realizzazione di display LED UVC-di grande formato-micro, poiché provoca sostanziali lacune di allineamento durante i processi di fabbricazione come la modellazione degli elettrodi, l'incisione dei fori e l'incollaggio dei flip-chip," osserva il team, riferendosi alle difficoltà causate dall'incurvamento di oltre 100 μm dei wafer.
Gli effetti di deformazione causati dal notevole disadattamento del reticolo e dell'espansione termica tra il substrato di zaffiro e gli strati di AlGaN sono collegati a questa flessione.
Impiegando minuscole porzioni di wafer che sono state singole tramite taglio laser, i ricercatori sono stati in grado di ridurre l'influenza della piegatura e ottenere una precisione accettabile nella configurazione degli array fino a larghezze di mesa di 3μm.
Nichel/oro ultrasottile, quasi trasparente nella regione della lunghezza d'onda UVC, costituiva il p-contatto superiore.
Sotto polarizzazione inversa, il dispositivo risultante ha mostrato correnti di dispersione molto basse, inferiori al limite di rilevamento di 100 fA dell'apparecchiatura di misurazione. Il team osserva che ciò è dovuto all'aumento della passivazione della parete laterale dovuto alla deposizione di strato atomico (ALD)-e alla diminuzione del danno alla parete laterale causato dal trattamento con idrossido di tetrametilammonio (TMAH).
una maggiore densità di corrente per una determinata polarizzazione si è rivelata vantaggiosa per i dispositivi più piccoli, portando a una maggiore uniformità di corrente in tutto il LED.
"I rapporti migliorati tra superficie-e-volume e la riduzione dell'effetto di affollamento-di corrente contribuiscono a migliorare la dissipazione del calore nei dispositivi più piccoli, riducendo il degrado termico in caso di iniezione di corrente elevata", osserva il team.
Quando la polarizzazione diretta è aumentata da 3,95 V a 4,2 V, il fattore di idealità dei dispositivi è diminuito da 3,9 a 2,8. Alla ricombinazione non-radiativa risultante dalla qualità subottimale dei wafer epitassiali è stata attribuita l'alta idealità.
Secondo i ricercatori, le pareti laterali erano una fonte quasi insignificante di centri di ricombinazione non- radiativi a causa del TMAH e dei trattamenti di passivazione utilizzati. Ci sono state, tuttavia, alcune indicazioni che "i trattamenti di passivazione e TMAH potrebbero non essere del tutto efficaci nel sopprimere le ricombinazioni non-radiative originate da difetti causati da danni alle pareti laterali" nei dispositivi più piccoli, fino a 3μm.
Man mano che le dimensioni del dispositivo si riducono da 100μm a 3μm, il picco di efficienza quantica esterna (Figura 2) spinge verso densità di corrente maggiori, passando da 15A/cm2 a 70A/cm2. Gli EQE erano di un ordine di grandezza inferiori a quelli ottenibili con LED passivati verdi o blu.
La Figura 2 mostra il picco dell'EQE e il rapporto di droop dell'EQE per ciascuna dimensione del dispositivo (punti) insieme alle linee di tendenza relative al valore di picco.
"Il calo dell'EQE diminuisce dal 67,5% al 17,9% man mano che le dimensioni del dispositivo diminuiscono", rileva il team, dimostrando che i dispositivi più piccoli forniscono una migliore stabilità dell'emissione luminosa a densità di corrente più elevate a causa della loro superiore dissipazione del calore.
I ricercatori attribuiscono alla maggiore uniformità di distribuzione della corrente-e alla migliore efficienza di estrazione della luce (LEE) l'aumento dell'EQE per diametri inferiori a 30 μm. "I dispositivi più piccoli emettono luce più vicino alle pareti laterali, con conseguente maggiore rifrazione delle pareti laterali e di conseguenza un LEE più elevato", affermano i ricercatori.
L'intera-larghezza a metà massimo (FWHM) dei dispositivi era inferiore a 21 nm e la loro lunghezza d'onda di picco era di circa 270 nm. A correnti basse, la lunghezza d'onda di picco del dispositivo da 3μm si è spostata verso il blu di 2 nm, mentre a correnti più elevate (oltre 70 A/cm2), si è spostata verso il rosso di 1 nm.
Secondo gli scienziati, questo cambiamento è il risultato degli effetti di riempimento della banda e della riduzione del gap di banda indotta dall'autoriscaldamento e in competizione tra loro. Il percorso migliorato di trasferimento del calore, che provoca un aumento più lento della temperatura di giunzione, è responsabile dello spostamento spettrale complessivo attraverso tutte le densità di corrente, che è solo di circa 2 nm.
Con una densità di 43,6 W/cm2, la potenza di emissione luminosa (LOP) dei LED da 100 μm era di 4,5 mW a 35 mA. La densità LOP massima per i LED da 3μm era di 396 W/cm2. "Ciò potrebbe anche essere dovuto all'effetto guida d'onda nei multistrati AlGaN-, dove i dispositivi più grandi subiscono una maggiore perdita di potenza a causa di un percorso ottico più lungo dai pozzi quantici multipli emissivi all'aria." Il team osserva che i dispositivi più piccoli, con una migliore-uniformità di distribuzione della corrente e stabilità termica, possono sostenere densità di corrente più elevate, ottenendo così maggiori densità di potenza ottica.
Le temperature di giunzione estreme causate dal funzionamento al punto di massima potenza aumentano l'invecchiamento e causano il deterioramento termico.
La densità LOP del dispositivo da 3μm era di 25,9 W/cm2 a 100 A/cm2. Secondo i ricercatori, questa ha "un eccellente potenziale come sorgente luminosa per la fotolitografia".
Basandosi su dispositivi da 6μm con passo di 10μm, i ricercatori sono stati in grado di espandere la dimensione degli array di LED UVC dai 16x16 pixel precedentemente documentati nella letteratura scientifica a 160x90 pixel (2540/pollice). Per una migliore estrazione della luce dal lato posteriore-attraverso il substrato in zaffiro più sottile, gli array sono stati rivestiti con una superficie superiore in alluminio altamente riflettente UVC-.
Con una polarizzazione diretta di 12 V e una densità di corrente di 20 A/cm2, l'array ha prodotto una potenza di uscita ottica di 16,6 mW. A 8 A/cm2, l’EQE ha raggiunto il picco del 4,1%.
Secondo i ricerca
Per valutare le capacità della fotolitografia, è stato utilizzato un array UVC 320x140 con pixel da 9μm con spaziatura di 12μm (Figura 3). Sono state utilizzate protuberanze di indio per capovolgere-il chip e incollare l'array su un chip del driver CMOS. L'AZ MiR 703 sensibile all'i-line in una configurazione di modellazione di prossimità è servito come fotoresist del test. I display micro-LED visibili, ad esempio, potrebbero essere realizzati utilizzando l'approccio della fotolitografia.
Figura 3: La fotolitografia con display micro-LED UVC rivela il profilo della superficie (a destra) e le immagini fotolitografiche senza maschera (a sinistra) su wafer rivestiti di fotoresist-. Per cinque secondi, l'esposizione è stata a 80 mA.
Sebbene la risoluzione strutturale non sia buona quanto quella ottenuta con l’esposizione a contatto, i ricercatori sottolineano che la fotolitografia senza maschera potrebbe essere molto migliorata con lenti e metodi di messa a fuoco simili. Tali metodi di fotolitografia senza maschera potrebbero far risparmiare all'industria dei semiconduttori una notevole quantità di tempo e denaro eliminando la necessità di maschere di scrittura laser-, soprattutto perché le larghezze di linea più strette fino alla dimensione dei pixel dei circuiti di micro-display sono estremamente promettenti.
Migliorando la qualità del wafer epitassiale e ottenendo un allineamento più preciso, i ricercatori vogliono superare l'attuale limitazione di 320x140 pixel e aprire la porta a display LED micro-UVC con risoluzione molto più elevata, fino a 8K pixel in ciascuna dimensione, necessari per le risoluzioni HD e UHD.
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