마스크 없는 근접 포토리소그래피를 위한 마이크로-LED의 270nm-파장 심자외선-C(UVC) 어레이 생성이 중국 연구진에 의해 보고되었습니다[Feng Feng 외, Nature Photonics, 2024년 10월 15일 온라인 게시].
"UVC 마이크로{0}}LED 어레이는 임의의 이미지 패턴을 생성하고 이를 포토레지스트와 같은 감광성 재료에 전사하기 위한 도구로서 포토리소그래피 및 광화학에서 점점 더 가치가 높아지고 있으며, 이를 통해 값비싼 포토마스크가 필요하지 않습니다."라고 Suzhou Institute of Nanotech and Nano{2}}Bionics, Southern University of Science and Technology 및 Hong Kong University of Science and Technology 팀은 말했습니다.
수은 증기 램프와 달리 UVC LED는 효율성이 높고 수명이 길며 환경에 영향을 주지 않기 때문에 역사적으로 주로 바이러스 살균 용도로 개발되었습니다.
플립-칩 UVC 마이크로{1}}LED 시스템이 그림 1에 나와 있습니다. b. 주사전자현미경으로 본 6μmx6μm UVC 마이크로-LED 어레이의 모양(삽입물에 포함된 5μmx5μm 독립형 어레이 포함). 기음. 전계발광(EL)을 사용한 독립형 장치의 현미경 사진.
UVC LED 어레이는 연구원들이 상업용 2-인치 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN) 에피택셜 웨이퍼를 사용하여 제작했습니다(그림 1). "이러한 현저한 휘어짐 효과는 전극 패터닝, 홀 에칭, 플립칩 본딩과 같은 제조 공정 중에 상당한 정렬 간격을 유발하기 때문에 대형 -포맷 UVC 마이크로-LED 디스플레이를 달성하는 데 주요 장애물이 됩니다."라고 팀은 웨이퍼의 100μm가 넘는 휘어짐으로 인해 발생하는 어려움을 언급하며 언급했습니다.
사파이어 기판과 AlGaN 층 사이의 눈에 띄는 격자 및 열팽창 불일치로 인해 발생하는 변형 효과는 이러한 굽힘과 관련이 있습니다.
레이저 다이싱을 통해 싱귤레이션된 작은 웨이퍼 부분을 사용함으로써 연구원들은 굽힘의 영향을 줄이고 3μm 메사 너비까지 어레이 패터닝에서 허용 가능한 정밀도를 달성할 수 있었습니다.
UVC 파장 영역에서 거의 투명한 초박형 니켈/금이 상단 p-접점을 구성했습니다.
역방향 바이어스에서 결과 장치는 측정 장비의 100fA 감지 한계보다 낮은 매우 낮은 누설 전류를 나타냈습니다. 팀은 이것이 원자층 증착(ALD)-성장된 측벽 패시베이션과 테트라메틸암모늄 수산화물(TMAH) 처리로 인한 측벽 손상 감소 때문이라고 지적합니다.
주어진 바이어스에 대해 더 큰 전류 밀도는 더 작은 장치에 유리한 것으로 나타났으며, 이는 LED 전체에 걸쳐 더 큰 전류 균일성을 가져옵니다.
"향상된 표면-대-부피 비율과 감소된 전류-크라우딩 효과는 소형 장치의 열 방출을 개선하고 높은 전류 주입 시 열 저하를 줄이는 데 도움이 됩니다."라고 팀은 설명합니다.
순방향 바이어스가 3.95V에서 4.2V로 증가함에 따라 디바이스의 이상성 계수는 3.9에서 2.8로 감소했습니다. 에피택셜 웨이퍼의 차선의 품질로 인한 비-방사성 재결합은 높은 이상성으로 평가되었습니다.
연구원에 따르면 측벽은 사용된 TMAH 및 부동태화 처리로 인해 비방사성 재조합 센터의 거의 중요하지 않은 소스였습니다. 그럼에도 불구하고, "패시베이션 및 TMAH 처리는 3μm까지 더 작은 장치에서 측벽 손상으로 인한 결함으로 인한 비{2}}방사성 재조합을 억제하는 데 완전히 효과적이지 않을 수 있다는 일부 징후가 있었습니다.
장치 크기가 100μm에서 3μm로 줄어들면서 최대 외부 양자 효율(그림 2)은 15A/cm2에서 70A/cm2로 더 높은 전류 밀도를 향해 나아갑니다. EQE는 녹색 또는 파란색 부동태화 LED로 얻을 수 있는 것보다 훨씬 낮은 수준이었습니다.
그림 2는 각 장치 크기(점)에 대한 피크 EQE 및 EQE 드루프 비율을 피크 값에 대한 추세선과 함께 보여줍니다.
연구진은 "EQE 드루프는 장치 크기가 감소함에 따라 67.5%에서 17.9%로 감소합니다"라고 밝혔으며, 이는 더 작은 장치가 우수한 열 방출로 인해 더 높은 전류 밀도에서 향상된 발광 안정성을 제공한다는 것을 입증합니다.
연구원들은 더 높은 전류-확산 균일성과 개선된 광 추출 효율(LEE)을 직경 30μm 미만의 EQE 증가로 인정했습니다. "더 작은 장치는 측벽에 더 가까운 빛을 방출하므로 측벽 굴절이 더 많아지고 결과적으로 LEE도 높아집니다."라고 연구진은 말합니다.
장치의 -반치폭(FWHM)은 21nm 미만이었고 피크 파장은 약 270nm였습니다. 낮은 전류에서 3μm 장치의 피크 파장은 2nm만큼 청색편이된 반면, 더 높은 전류(70A/cm2 이상)에서는 1nm만큼 적색편이되었습니다.
과학자들에 따르면 이러한 변화는 밴드-충전 효과와 자체-발열-유발 밴드갭 수축이 서로 경쟁하는 결과입니다. 접합 온도의 느린 상승을 유발하는 개선된 열 전달 경로는 약 2nm에 불과한 모든 전류 밀도에 걸쳐 전체 스펙트럼 이동을 담당합니다.
43.6W/cm2의 밀도로 100μm LED의 광출력(LOP)은 35mA에서 4.5mW였습니다. 3μm LED의 최대 LOP 밀도는 396W/cm2였습니다. "이는 또한 AlGaN 다층-층의 도파 효과 때문일 수 있습니다. 여기서 더 큰 장치는 방출 다중 양자 우물에서 공기까지 더 긴 광학 경로로 인해 전력 손실이 증가합니다." 팀은 더 나은 전류 확산 균일성과 열 안정성을 갖춘 더 작은 장치가 더 높은 전류 밀도를 유지하여 더 큰 광전력 밀도를 달성할 수 있다고 지적합니다.
최대 전력점에서 작동하여 발생하는 극단적인 접합 온도는 노화를 증가시키고 열 저하를 유발합니다.
3μm 장치의 LOP 밀도는 100A/cm2에서 25.9W/cm2였습니다. 연구원들에 따르면 이것은 "포토리소그래피 광원으로서 뛰어난 잠재력"을 가지고 있습니다.
10μm 피치의 6μm 장치를 기반으로 연구원들은 UVC LED 어레이의 크기를 이전에 과학 문헌에 기록된 16x16 픽셀에서 160x90 픽셀(2540/인치)로 확장할 수 있었습니다. 더 얇은 사파이어 기판을 통한 향상된 후면- 광 추출을 위해 어레이는 UVC-반사율이 높은 Al 상단 표면으로 코팅되었습니다.
12V의 순방향 바이어스와 20A/cm2의 전류 밀도로 어레이는 16.6mW의 광 출력을 생성했습니다. 8A/cm2에서 EQE는 4.1%로 최고치를 기록했습니다.
연구진에 따르면, "UVC 마이크로{0}}LED 디스플레이는 전체 화면 조명에 대해 최대 1.1W/cm2의 적절한 광전력 밀도를 제공함으로써 Karl Suss MA-6 마스크 정렬기에 사용되는 365nm 수은 램프의 25mW/cm2 보정을 능가하여 포토레지스트 노광량 요구 사항을 충족합니다."
포토리소그래피 기능을 평가하기 위해 12μm 간격에 9μm 픽셀을 갖춘 320x140 UVC 어레이가 사용되었습니다(그림 3). 인듐 범프는 -칩 접착 어레이를 CMOS 드라이버 칩에 붙이는 데 사용되었습니다. 근접 패터닝 설정의 i-라인 민감성 AZ MiR 703이 테스트의 포토레지스트 역할을 했습니다. 예를 들어 가시적인 마이크로{11}}LED 디스플레이는 포토리소그래피 접근법을 사용하여 제작될 수 있습니다.
그림 3: UVC 마이크로-LED 디스플레이 포토리소그래피는 포토레지스트- 코팅된 웨이퍼의 표면 프로파일(오른쪽)과 마스크 없는 포토리소그래피 사진(왼쪽)을 보여줍니다. 5초 동안 노출은 80mA였습니다.
비록 구조적 해상도가 접촉 노출로 얻은 것만큼 좋지는 않지만, 연구원들은 마스크 없는 포토리소그래피가 유사한 렌즈와 포커싱 방법을 통해 훨씬 향상될 수 있다고 언급했습니다. 이러한 마스크 없는 포토리소그래피 방법은 레이저-기록 마스크에 대한 요구 사항을 없애 반도체 업계에서 상당한 시간과 비용을 절약할 수 있습니다. 특히 마이크로-디스플레이 회로의 픽셀 크기까지 더 좁은 선폭이 엄청난 가능성을 보여주기 때문입니다.
에피택셜 웨이퍼의 품질을 개선하고 보다 정밀한 정렬을 달성함으로써 연구원들은 현재의 320x140 픽셀 제한을 뛰어넘고 HD 및 UHD 해상도에 필요한 각 차원에서 최대 8K 픽셀을 갖춘 훨씬 더 높은-해상도 UVC 마이크로{3}}LED 디스플레이의 문을 열고자 합니다.
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