マスクレス近接フォトリソグラフィー用のマイクロ-LED の 270 nm-波長深紫外線-C (UVC) アレイの作成が中国の研究者によって報告されています [Feng Feng et al、nature photonics、2024 年 10 月 15 日にオンライン公開]。
「UVC マイクロ-LED アレイは、任意の画像パターンを生成し、それをフォトレジストなどの感光性材料に転写するためのツールとして、フォトリソグラフィーや光化学においてますます価値が高まっています。これにより、高価なフォトマスクが不要になります」と蘇州ナノテク・ナノバイオニクス研究所、南方科学技術大学、香港科学技術大学のチームは述べています。-
水銀灯とは対照的に、UVC LED は、効率が高く、寿命が長く、環境への影響がないため、歴史的に主にウイルス滅菌用途のために開発されてきました。
フリップ{0}}チップ UVC マイクロ-LED システムを図 1 に示します。b.走査型電子顕微鏡で観察した6μm×6μm UVCマイクロ-LEDアレイの形状。挿入図として5μm×5μmのスタンドアロンアレイが含まれています。- c.エレクトロルミネッセンス (EL) を使用したスタンドアロン デバイスの顕微鏡写真。
UVC LED アレイは、市販の 2- インチ窒化アルミニウム ガリウム (AlGaN) エピタキシャル ウェーハを使用して研究者によって作成されました (図 1)。 「この顕著な反り効果は、電極パターニング、ホールエッチング、フリップチップボンディングなどの製造プロセス中にかなりの位置合わせギャップを引き起こすため、大型-フォーマットのUVCマイクロ-LEDディスプレイを実現する際に大きな障害となっている」と研究チームは指摘し、ウェハの100μmを超える反りによって引き起こされる困難について言及している。
サファイア基板とAlGaN層の間の顕著な格子と熱膨張の不一致によってもたらされるひずみの影響が、この曲がりに関係しています。
研究者らは、レーザーダイシングによって個片化されたウェーハの小さな部分を使用することで、曲げの影響を軽減し、メサ幅 3μm までのアレイパターニングで許容可能な精度を達成することができました。
UVC 波長領域ではほぼ透明な極薄のニッケル/金が上部の p コンタクトを構成しました。-
逆バイアス下では、得られたデバイスのリーク電流は非常に低く、測定装置の検出限界である 100fA を下回りました。研究チームは、これは原子層堆積（ALD）-で成長した側壁のパッシベーションと、水酸化テトラメチルアンモニウム（TMAH）処理によってもたらされた側壁の損傷の減少によるものだと指摘しています。
特定のバイアスに対する電流密度が大きいほど、デバイスが小型の場合に有利であることが示されており、LED 全体の電流均一性が向上します。
「表面-対-体積比の改善と電流集中効果の低減により、小型デバイスの熱放散が改善され、高電流注入時の熱劣化が軽減されます」と研究チームは述べています。
順バイアスが 3.95V から 4.2V に上昇するにつれて、デバイスの理想係数は 3.9 から 2.8 に減少しました。エピタキシャルウェーハの次善の品質に起因する非放射再結合が、高い理想性の原因となったと考えられています。-
研究者らによると、側壁には TMAH と不動態化処理が施されていたため、非放射性再結合中心の発生源はほとんど重要ではありませんでした。{0}それにもかかわらず、3μm までの小型デバイスでは、「不動態化処理と TMAH 処理は、側壁損傷によって引き起こされる欠陥に起因する非放射再結合の抑制に完全には効果的ではない可能性がある」という指摘もありました。{2}
デバイスのサイズが 100μm から 3μm に縮小するにつれて、ピーク外部量子効率 (図 2) は電流密度が増加し、15A/cm2 から 70A/cm2 になります。 EQE は、緑色または青色の不動態化 LED で得られるものよりも 1 桁低くなりました。
図 2 は、各デバイス サイズ (ドット) のピーク EQE および EQE ドループ比を、ピーク値に対する傾向線とともに示しています。
研究チームは、「デバイスサイズが小さくなるにつれて、EQEドループは67.5%から17.9%に減少する」ことを発見し、より小型のデバイスは優れた熱放散により、より高い電流密度での発光の安定性が向上することを実証している。
直径 30 μm 未満の EQE が上昇したのは、より高い電流拡散均一性と光抽出効率 (LEE) の向上によると研究者らは考えています。{0} 「小型のデバイスは側壁に近いところで光を発するため、側壁の屈折が大きくなり、その結果、LEEが高くなります」と研究者らは述べている。
デバイスの半値全幅（FWHM）は 21 nm 未満で、ピーク波長は約 270 nm でした。-低電流では、3μm デバイスのピーク波長は 2 nm 青方偏移しましたが、より高い電流 (70A/cm2 を超える) では、1 nm だけ赤方偏移しました。
科学者らによると、この変化はバンド充填効果と自己加熱{{1}{2}}によるバンドギャップ縮小が互いに競合した結果であるとのことです。{0}熱伝達経路の改善により、ジャンクション温度の上昇が遅くなり、すべての電流密度にわたる全体的なスペクトルシフトの原因となっていますが、そのシフトはわずか約 2 nm です。
密度が 43.6W/cm2 の場合、100μm LED の光出力 (LOP) は 35mA で 4.5mW でした。 3μm LED の最大 LOP 密度は 396W/cm2 でした。 「これは、AlGaN多層-の導波効果によるものとも考えられます。大きなデバイスでは、発光多重量子井戸から空気までの光路が長くなるため、電力損失が増加します。」研究チームは、より優れた電流拡散均一性と熱安定性を備えた小型デバイスは、より高い電流密度を維持できるため、より高い光出力密度を達成できると指摘しています。
最大電力点での動作によって生じる極端なジャンクション温度は、経年劣化を増大させ、熱劣化を引き起こします。
3μm デバイスの LOP 密度は、100A/cm2 で 25.9W/cm2 でした。研究者らによれば、これには「フォトリソグラフィー光源として優れた可能性がある」という。
研究者らは、10μmピッチの6μmデバイスに基づいて、UVC LEDアレイのサイズを、科学文献で以前に文書化されていた16×16ピクセルから160×90ピクセル（2540/インチ）まで拡張することができた。薄いサファイア基板による背面からの光抽出を改善するため、アレイは UVC 反射率の高い Al 上面でコーティングされました。-
12Vの順バイアスと20A/cm2の電流密度により、アレイは16.6mWの光出力を生成しました。 8A/cm2 では、EQE は 4.1% でピークに達しました。
研究者らによると、「UVC マイクロ-LED ディスプレイは、カール サス MA-6 マスク アライナーで使用される 365nm 水銀ランプの 25mW/cm2 キャリブレーションを上回り、全画面照明に最大 1.1W/cm2 の適切な光出力密度を提供することで、フォトレジストの露光量要件を満たします。」
フォトリソグラフィーの機能を評価するために、12μm 間隔で 9μm ピクセルを備えた 320x140 UVC アレイが使用されました (図 3)。インジウムバンプは、アレイを CMOS ドライバーチップ上にフリップチップ接着するために使用されました。{6}近接パターニング設定の i- ライン感受性 AZ MiR 703 がテストのフォトレジストとして機能しました。たとえば、可視マイクロ-LED ディスプレイは、フォトリソグラフィー手法を使用して製造される場合があります。
図 3: UVC マイクロ-LED ディスプレイ フォトリソグラフィーにより、フォトレジスト-でコーティングされたウェーハ上の表面プロファイル (右) とマスクレス フォトリソグラフィー写真 (左) が明らかになります。 5 秒間、80mA で暴露しました。
構造解像度は接触露光で達成される解像度ほど良くはありませんが、マスクレスフォトリソグラフィーは同様のレンズと集束方法によって大幅に向上する可能性があると研究者らは述べています。このようなマスクレス フォトリソグラフィー法は、特にマイクロ ディスプレイ回路のピクセル サイズまで線幅が狭くなることが非常に有望であるため、レーザー描画マスクの必要性をなくすことで、半導体業界の時間と費用を大幅に節約できる可能性があります。-
研究者らは、エピタキシャル ウェーハの品質を向上させ、より正確な位置合わせを達成することで、現在の 320x140 ピクセルという制限を乗り越え、HD および UHD 解像度に必要な、各次元で最大 8K ピクセルを備えたはるかに高い解像度の UVC マイクロ{{2}LED ディスプレイへの扉を開きたいと考えています。-
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