Kinijos mokslininkai pranešė apie 270 nm-bangos ilgio giluminio ultravioletinio-C (UVC) mikro-LED matricų, skirtų bekaukės artumo fotolitografijai, sukūrimą [Feng Feng ir kt., gamtos fotonika, paskelbta internete 2024 m. spalio 15 d.].
„UVC mikro{0}}LED matricos fotolitografijoje ir fotochemijoje vis labiau vertinamos kaip įrankiai, leidžiantys generuoti savavališkus vaizdų raštus ir perkelti juos į šviesai-jautrias medžiagas, tokias kaip fotorezistai, todėl nereikia brangių fotokaukių“, – pažymi Sudžou nanotechnologijų ir nanotechnologijų instituto ir Honkongo technologijos mokslų universiteto bei Honkongo technologijos mokslų universiteto{2}}Bionikos universiteto komanda.
Priešingai nei gyvsidabrio garų lempos, UVC šviesos diodai istoriškai buvo sukurti visų pirma virusų sterilizavimo reikmėms dėl didelio efektyvumo, ilgo tarnavimo laiko ir jokio poveikio aplinkai.
Flip{0}}chip UVC micro-LED sistema parodyta 1 paveiksle. b. 6 μm x 6 μm UVC mikro{6}}LED matricos forma, matoma skenuojančia elektronine mikroskopija, o atskira 5 μm x 5 μm{9}} matrica įtraukta kaip įdėklas. c. Autonominių prietaisų mikrografija naudojant elektroliuminescenciją (EL).
UVC LED matricas sukūrė mokslininkai naudodami komercines 2- colių aliuminio galio nitrido (AlGaN) epitaksines plokšteles (1 pav.). „Šis ryškus lenkimo efektas yra pagrindinė kliūtis norint sukurti didelio -formato UVC mikro-LED ekranus, nes dėl jo atsiranda didelių išlygiavimo tarpų gamybos procesų, tokių kaip elektrodų rašymas, skylių ėsdinimas ir flip-chip sujungimas, metu“, – pažymi komanda, turėdama omenyje sunkumus, kuriuos sukelia plokštelės, kurios yra daugiau nei 10 μm.
Įtempimo poveikis, kurį sukelia pastebimas grotelių ir šiluminio plėtimosi neatitikimas tarp safyro pagrindo ir AlGaN sluoksnių, yra susijęs su šiuo lenkimu.
Naudodami mažas plokštelių dalis, kurios buvo atskirtos pjaustant lazeriu, mokslininkai sugebėjo sumažinti lenkimo įtaką ir pasiekti priimtiną masyvo modeliavimo tikslumą iki 3 μm mezos pločio.
Ultraplonas nikelis/auksas, kuris UVC bangos ilgio srityje yra beveik skaidrus, sudarė viršutinį p-kontaktą.
Esant atvirkštiniam poslinkiui, gautas įtaisas rodė labai mažas nuotėkio sroves, žemesnes už matavimo įrangos 100fA aptikimo ribą. Grupė pažymi, kad taip yra dėl atominio sluoksnio nusodinimo (ALD) -padidėjusio šoninių sienelių pasyvumo ir sumažėjusio šoninės sienelės pažeidimo, kurį sukelia apdorojimas tetrametilamonio hidroksidu (TMAH).
Buvo įrodyta, kad didesnis srovės tankis esant tam tikram poslinkiui yra naudingas mažesniems įrenginiams, todėl visame šviesos dioduose yra didesnis srovės tolygumas.
„Patobulintas paviršiaus{0}}ir -tūrio santykis ir sumažintas srovės-spūsties efektas padeda geriau išsklaidyti šilumą mažesniuose įrenginiuose ir sumažina šiluminį skilimą įpurškiant didelę srovę“, – pažymi komanda.
Pirmyn poslinkiui padidėjus nuo 3,95 V iki 4,2 V, įrenginių idealumo koeficientas sumažėjo nuo 3,9 iki 2,8. Ne-radiacinė rekombinacija, atsirandanti dėl neoptimalios epitaksinių plokštelių kokybės, buvo pripažinta dideliu idealumu.
Pasak tyrėjų, šoninės sienelės buvo beveik nereikšmingas ne-radiacinės rekombinacijos centrų šaltinis dėl juose naudojamo TMAH ir pasyvavimo. Vis dėlto buvo tam tikrų požymių, kad mažesniuose įrenginiuose „pasyvavimo ir TMAH gydymas gali būti ne visiškai veiksmingas slopinant ne-radiacines rekombinacijas, atsirandančias dėl defektų, atsiradusių dėl šoninės sienelės pažeidimo“.
Įrenginio dydžiui mažėjant nuo 100 μm iki 3 μm, didžiausias išorinis kvantinis efektyvumas (2 pav.) stumiamas link didesnio srovės tankio, nuo 15 A/cm2 iki 70 A/cm2. EQE buvo daug mažesnis nei tas, kurį galima gauti naudojant žalias arba mėlynas pasyvuotus šviesos diodus.
2 paveiksle parodytas didžiausias EQE ir EQE kritimo santykis kiekvienam įrenginio dydžiui (taškams) kartu su tendencijų linijomis, palyginti su didžiausia verte.
"EQE kritimas sumažėja nuo 67,5% iki 17,9%, kai prietaiso dydis mažėja", - teigia komanda, parodydama, kad mažesni įrenginiai užtikrina geresnį šviesos spinduliavimo stabilumą esant didesniam srovės tankiui, nes jie puikiai išsklaido šilumą.
Dėl didesnio srovės -sklidimo tolygumo ir pagerėjusio šviesos ištraukimo efektyvumo (LEE) mokslininkai priskiria EQE padidėjimą, kai skersmuo mažesnis nei 30 μm. „Mažesni prietaisai skleidžia šviesą arčiau šoninių sienelių, todėl šoninės sienelės refrakcija ir atitinkamai didesnė LEE“, – teigia mokslininkai.
Visas prietaisų plotis, esant pusei maksimumo (FWHM), buvo mažesnis nei 21 nm, o didžiausias jų bangos ilgis buvo apie 270 nm. Esant mažoms srovėms, 3 μm įrenginio didžiausias bangos ilgis mėlynai pasislinko 2 nm, o esant didesnėms srovėms (daugiau nei 70 A/cm2), jis raudonai pasislinko 1 nm.
Pasak mokslininkų, šis pokytis yra juostos-užpildymo efektų ir savaiminio-kaitimo-sukeliamo juostos tarpo susitraukimo, konkuruojančio tarpusavyje, rezultatas. Patobulintas šilumos perdavimo kelias, dėl kurio lėčiau kyla sankryžos temperatūra, yra atsakingas už bendrą spektrinį poslinkį visuose srovės tankiuose, kurie yra tik apie 2 nm.
100 μm šviesos diodų, kurių tankis yra 43,6 W/cm2, šviesos išėjimo galia (LOP) buvo 4,5 mW esant 35 mA. Maksimalus 3 μm šviesos diodų LOP tankis buvo 396 W/cm2. „Taip taip pat gali būti dėl bangolaidžio efekto AlGaN daugiasluoksniuose -sluoksniuose, kur didesni įrenginiai patiria didesnį galios nuostolį dėl ilgesnio optinio kelio nuo spinduliuojančių kelių kvantinių šulinių iki oro“. Komanda pažymi, kad mažesni įrenginiai, kurių srovės tolygumas{11}}ir šiluminis stabilumas gali išlaikyti didesnį srovės tankį ir taip pasiekti didesnį optinės galios tankį.
Ekstremalios sankryžos temperatūros, atsirandančios dėl veikimo didžiausiu galios tašku, padidina senėjimą ir sukelia šiluminį pablogėjimą.
3 μm įrenginio LOP tankis buvo 25,9 W/cm2 esant 100 A/cm2. Pasak mokslininkų, tai turi „puikų fotolitografijos šviesos šaltinio potencialą“.
Remdamiesi 6 μm prietaisais 10 μm žingsniu, tyrėjai sugebėjo išplėsti UVC LED matricų dydį nuo 16 × 16 pikselių, kurie anksčiau buvo dokumentuoti mokslinėje literatūroje, iki 160 × 90 pikselių (2540 / colyje). Siekiant pagerinti galinės{8}}pusės šviesos ištraukimą per plonesnį safyro pagrindą, matricos buvo padengtos labai UVC-atspindinčiu Al viršutiniu paviršiumi.
Esant 12 V įtampai ir srovės tankiui 20 A/cm2, masyvo optinė išvesties galia buvo 16,6 mW. Esant 8A/cm2, EQE pasiekė aukščiausią lygį – 4,1%.
Tyrėjų teigimu, „UVC mikro{0}}LED ekranas viršija 365 nm gyvsidabrio lempos kalibravimą 25 mW/cm2, naudojamą Karl Suss MA-6 kaukės lygintuvui, kad atitiktų fotorezisto ekspozicijos dozės reikalavimus, siūlydamas tinkamą optinės galios tankį iki 1,1 W/cm2 viso ekrano apšvietimui“.
Fotolitografijos galimybėms įvertinti buvo naudojama 320 x 140 UVC matrica su 9 μm pikseliais 12 μm atstumu (3 pav.). Indžio nelygumai buvo naudojami apversti{6}}lustui klijuoti masyvą ant CMOS tvarkyklės lusto. i-linijai jautrus AZ MiR 703, esantis artumo modeliavimo sąrankoje, buvo bandymo fotorezistas. Pavyzdžiui, matomi mikro{11}}LED ekranai gali būti pagaminti naudojant fotolitografijos metodą.
3 pav. UVC mikro{1}}LED ekrano fotolitografija atskleidžia paviršiaus profilį (dešinėje) ir bekaukės fotolitografijos nuotraukas (kairėje) ant fotorezistu{2}}dengtų plokštelių. Penkias sekundes ekspozicija buvo 80 mA.
Nors struktūrinė skiriamoji geba nėra tokia gera, kaip pasiekiama naudojant kontaktinį poveikį, mokslininkai pažymi, kad fotolitografija be kaukės gali būti žymiai pagerinta naudojant panašius objektyvus ir fokusavimo metodus. Tokie bekaukės fotolitografijos metodai gali sutaupyti daug laiko ir pinigų puslaidininkių pramonei, nes nebereikės rašyti lazerinių kaukių, ypač dėl to, kad siauresnis linijų plotis iki pikselių dydžio mikro-ekrano grandinėse yra daug žadantis.
Pagerindami epitaksinės plokštelės kokybę ir pasiekę tikslesnį išlygiavimą, mokslininkai nori peržengti dabartinį 320 x 140 pikselių apribojimą ir atverti duris daug didesnės -raiškos UVC mikro-LED ekranams, kurių kiekviename matmenyje yra iki 8K pikselių, kurių reikia HD ir UHD skyroms.
https://www.benweilight.com/lighting-tube-bulb/led-saulės{5}}gatvės-light-outdoor.html
