Investigadores chinos informan sobre la creación de conjuntos de microLED-de longitud de onda ultravioleta profunda-C (UVC) de longitud de onda de 270 nm-para fotolitografía de proximidad sin máscara [Feng Feng et al, Nature Photonics, publicado en línea el 15 de octubre de 2024].
"Las matrices de micro-LED UVC se valoran cada vez más en fotolitografía y fotoquímica como herramientas para generar patrones de imágenes arbitrarios y transferirlos a materiales sensibles a la luz-como fotoprotectores, eliminando la necesidad de fotomáscaras costosas", señala el equipo del Instituto de Nanotecnología y Nano{2}}Biónica de Suzhou, la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong.
A diferencia de las lámparas de vapor de mercurio, los LED UVC se han desarrollado históricamente principalmente para aplicaciones de esterilización viral debido a su alta eficiencia, larga vida útil y ningún efecto ambiental.
En la Figura 1 se muestra un sistema de microLED UVC de chip-con tapa. b. La forma de la matriz de micro-LED UVC de 6 μmx6 μm vista mediante microscopía electrónica de barrido, con una matriz independiente- de 5 μmx5 μm incluida como un recuadro. do. Micrografía de dispositivos autónomos mediante electroluminiscencia (EL).
Los investigadores crearon las matrices de LED UVC utilizando obleas epitaxiales comerciales de nitruro de galio y aluminio (AlGaN) de 2-pulgadas (Figura 1). "Este pronunciado efecto de curvatura plantea un obstáculo importante para lograr pantallas microLED UVC-de gran formato-, ya que causa importantes brechas de alineación durante los procesos de fabricación, como el modelado de electrodos, el grabado de orificios y la unión de chips invertidos", señala el equipo, refiriéndose a las dificultades causadas por la curvatura de más de 100 μm de las obleas.
Los efectos de tensión provocados por el notable desajuste de la red y la expansión térmica entre el sustrato de zafiro y las capas de AlGaN están relacionados con esta flexión.
Al emplear pequeñas porciones de oblea que se singularizaron mediante corte en cubitos con láser, los investigadores pudieron disminuir la influencia de la flexión y lograr una precisión aceptable en el diseño de matrices de hasta 3 μm de ancho de mesa.
El níquel/oro ultrafino, que es casi transparente en la región de longitud de onda UVC, formó el p-contacto superior.
Bajo polarización inversa, el dispositivo resultante mostró corrientes de fuga muy bajas, por debajo del límite de detección de 100 fA del equipo de medición. El equipo señala que esto se debe a la mayor pasivación de las paredes laterales por deposición de capas atómicas (ALD)-y al menor daño de las paredes laterales provocado por el tratamiento con hidróxido de tetrametilamonio (TMAH).
Se demostró que una mayor densidad de corriente para una polarización determinada es ventajosa para dispositivos más pequeños, lo que lleva a una mayor uniformidad de corriente en todo el LED.
"Las relaciones mejoradas de superficie-a-volumen y la reducción del efecto de aglomeración de corriente- ayudan a mejorar la disipación de calor en dispositivos más pequeños, reduciendo la degradación térmica bajo inyección de alta corriente", comenta el equipo.
A medida que la polarización directa aumentó de 3,95 V a 4,2 V, el factor de idealidad de los dispositivos disminuyó de 3,9 a 2,8. La alta idealidad se atribuyó a la recombinación no radiativa resultante de la calidad subóptima de las obleas epitaxiales.
Según los investigadores, las paredes laterales eran una fuente casi insignificante de centros de recombinación no-radiativos debido a la TMAH y los tratamientos de pasivación que utilizaron. Sin embargo, hubo algunos indicios de que "los tratamientos de pasivación y TMAH pueden no ser completamente efectivos para suprimir las recombinaciones no radiativas originadas por defectos causados por daños en las paredes laterales" en los dispositivos más pequeños, de hasta 3 μm.
A medida que el tamaño del dispositivo se reduce de 100 μm a 3 μm, la eficiencia cuántica externa máxima (Figura 2) empuja hacia mayores densidades de corriente, pasando de 15 A/cm2 a 70 A/cm2. Los EQE fueron un orden de magnitud más bajos que los que se podrían obtener con LED pasivados verdes o azules.
La Figura 2 muestra el EQE máximo y la relación de caída de EQE para cada tamaño de dispositivo (puntos) junto con líneas de tendencia relativas al valor máximo.
"La caída del EQE disminuye del 67,5 % al 17,9 % a medida que disminuye el tamaño del dispositivo", encuentra el equipo, lo que demuestra que los dispositivos más pequeños proporcionan una estabilidad mejorada de la emisión de luz a densidades de corriente más altas debido a su disipación de calor superior.
Los investigadores atribuyen el aumento de la EQE a una mayor uniformidad de distribución de la corriente-y a una mayor eficiencia de extracción de luz (LEE) para diámetros inferiores a 30 μm. "Los dispositivos más pequeños emiten luz más cerca de las paredes laterales, lo que da como resultado una mayor refracción de las paredes laterales y, en consecuencia, un LEE más alto", dicen los investigadores.
El ancho total-de los dispositivos a la mitad del máximo (FWHM) era inferior a 21 nm y su longitud de onda máxima era de alrededor de 270 nm. A corrientes bajas, la longitud de onda máxima del dispositivo de 3 μm se desplazó al azul 2 nm, mientras que a corrientes más altas (más allá de 70 A/cm2), se desplazó al rojo 1 nm.
Según los científicos, este cambio es el resultado de los efectos-de llenado de la banda y de la reducción de la banda prohibida inducida por el auto-calentamiento-que compiten entre sí. La ruta mejorada de transferencia de calor, que provoca un aumento más lento en la temperatura de la unión, es responsable del cambio espectral general en todas las densidades de corriente, que es de sólo unos 2 nm.
Con una densidad de 43,6 W/cm2, la potencia de salida de luz (LOP) de los LED de 100 μm fue de 4,5 mW a 35 mA. La densidad LOP máxima para los LED de 3 μm fue de 396 W/cm2. "Esto también puede deberse al efecto de guía de ondas en las multi-capas de AlGaN, donde los dispositivos más grandes experimentan una mayor pérdida de energía debido a una ruta óptica más larga desde los múltiples pozos cuánticos emisores hasta el aire". El equipo señala que los dispositivos más pequeños, con mejor-uniformidad de distribución de corriente y estabilidad térmica, pueden soportar densidades de corriente más altas, logrando así mayores densidades de potencia óptica.
Las temperaturas extremas de las uniones causadas por el funcionamiento en el punto de máxima potencia aumentan el envejecimiento y provocan deterioro térmico.
La densidad LOP del dispositivo de 3 μm fue de 25,9 W/cm2 a 100 A/cm2. Según los investigadores, tiene "un potencial excelente como fuente de luz para fotolitografía".
Basándose en dispositivos de 6 μm con un paso de 10 μm, los investigadores pudieron ampliar el tamaño de las matrices de LED UVC de los 16 x 16 píxeles que estaban previamente documentados en la literatura científica a 160 x 90 píxeles (2540/pulgada). Para mejorar la extracción de luz de la parte trasera-a través del sustrato de zafiro más delgado, las matrices se recubrieron con una superficie superior de Al altamente reflectante contra los rayos UVC-.
Con una polarización directa de 12 V y una densidad de corriente de 20 A/cm2, la matriz produjo una potencia de salida óptica de 16,6 mW. A 8 A/cm2, el EQE alcanzó un máximo de 4,1%.
Según los investigadores, "la pantalla micro-LED UVC supera la calibración de 25 mW/cm2 de la lámpara de mercurio de 365 nm utilizada en el alineador de máscara Karl Suss MA-6 para cumplir con los requisitos de dosis de exposición del fotorresistente al ofrecer una densidad de potencia óptica adecuada de hasta 1,1 W/cm2 para iluminación de pantalla completa".
Para evaluar las capacidades de fotolitografía, se utilizó una matriz UVC de 320x140 con píxeles de 9 μm con un espaciado de 12 μm (Figura 3). Se utilizaron protuberancias de indio para voltear-el chip y pegar la matriz en un chip controlador CMOS. El AZ MiR 703 sensible a líneas i- en una configuración de patrón de proximidad sirvió como fotorresistente de la prueba. Por ejemplo, se podrían fabricar pantallas micro-LED visibles mediante el método de fotolitografía.
Figura 3: La fotolitografía con pantalla micro-LED UVC revela el perfil de la superficie (derecha) y las imágenes de fotolitografía sin máscara (izquierda) en obleas recubiertas con fotoprotector-. Durante cinco segundos, la exposición fue de 80 mA.
Aunque la resolución estructural no es tan buena como la que se logra con la exposición por contacto, los investigadores señalan que la fotolitografía sin máscara podría mejorarse mucho con lentes y métodos de enfoque similares. Estos métodos de fotolitografía sin máscara podrían ahorrarle a la industria de los semiconductores una cantidad significativa de tiempo y dinero al eliminar el requisito de máscaras de escritura láser-, especialmente porque los anchos de línea más estrechos, hasta el tamaño de píxel de los circuitos de micro-pantalla, son tremendamente prometedores.
Al mejorar la calidad de la oblea epitaxial y lograr una alineación más precisa, los investigadores quieren superar la restricción actual de 320x140 píxeles y abrir la puerta a pantallas microLED UVC-de resolución mucho mayor-, con hasta 8K píxeles en cada dimensión, que se requiere para las resoluciones HD y UHD.
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