Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã báo cáo việc tạo ra các dãy đèn LED vi mô-có bước sóng 270 nm-tia cực tím sâu{2}}C (UVC) cho quang khắc tiệm cận không đeo mặt nạ [Feng Feng và cộng sự, quang tử học tự nhiên, được xuất bản trực tuyến vào ngày 15 tháng 10 năm 2024].
Nhóm nghiên cứu từ Viện công nghệ nano và sinh học nano- Tô Châu, Đại học Khoa học và Công nghệ miền Nam và Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông nhận xét: "Mảng đèn LED-UVC micro ngày càng được đánh giá cao trong quang khắc và quang hóa như những công cụ để tạo ra các mẫu hình ảnh tùy ý và chuyển chúng sang các vật liệu nhạy sáng-nhạy cảm như chất quang dẫn, loại bỏ nhu cầu về mặt nạ quang đắt tiền”.
Ngược lại với đèn hơi thủy ngân, đèn LED UVC trước đây được phát triển chủ yếu cho các ứng dụng khử trùng vi-rút vì hiệu suất cao, tuổi thọ cao và không ảnh hưởng đến môi trường.
Hệ thống đèn LED-chip UVC micro{1}}lật được hiển thị trong Hình 1. b. Hình dạng của dãy đèn LED vi mô-UVC 6μmx6μm được nhìn thấy bằng kính hiển vi điện tử quét, với một mảng độc lập 5μmx5μm-được bao gồm dưới dạng hình nhỏ. c. Ảnh vi mô của các thiết bị độc lập sử dụng phương pháp điện phát quang (EL).
Các dãy đèn LED UVC được các nhà nghiên cứu tạo ra bằng cách sử dụng tấm epiticular nhôm gallium nitride (AlGaN) 2-inch thương mại (Hình 1). "Hiệu ứng uốn cong rõ rệt này đặt ra trở ngại lớn trong việc đạt được màn hình LED-UVC micro{5}}định dạng lớn, vì nó gây ra những khoảng trống căn chỉnh đáng kể trong quá trình chế tạo chẳng hạn như tạo khuôn điện cực, khắc lỗ và liên kết chip lật," nhóm lưu ý, đề cập đến những khó khăn do các tấm bán dẫn cong hơn 100μm gây ra.
Hiệu ứng biến dạng gây ra bởi sự không phù hợp đáng chú ý về mạng tinh thể và sự giãn nở nhiệt giữa lớp nền sapphire và lớp AlGaN có liên quan đến sự uốn cong này.
Bằng cách sử dụng các phần wafer cực nhỏ được mô phỏng bằng phương pháp cắt laser, các nhà nghiên cứu đã có thể giảm bớt ảnh hưởng của sự uốn cong và đạt được độ chính xác chấp nhận được khi tạo hình mảng có chiều rộng tới 3μm mesa.
Niken/vàng siêu mỏng, gần như trong suốt ở vùng bước sóng UVC, tạo nên phần tiếp xúc p{0}}trên cùng.
Trong điều kiện phân cực ngược, thiết bị thu được cho thấy dòng điện rò rỉ rất thấp, dưới giới hạn phát hiện 100fA của thiết bị đo. Nhóm nghiên cứu lưu ý rằng điều này là do sự thụ động hóa thành bên do sự lắng đọng lớp nguyên tử (ALD)-và sự giảm hư hại của thành bên do xử lý bằng tetramethylammonium hydroxit (TMAH).
mật độ dòng điện lớn hơn đối với một độ lệch nhất định được chứng minh là có lợi cho các thiết bị nhỏ hơn, dẫn đến độ đồng đều dòng điện cao hơn trên toàn bộ đèn LED.
Nhóm nhận xét: "Tỷ lệ bề mặt-trên-thể tích được cải thiện và hiệu ứng đông đúc dòng điện-giảm giúp cải thiện khả năng tản nhiệt trong các thiết bị nhỏ hơn, giảm suy giảm nhiệt khi đưa dòng điện cao vào".
Khi độ lệch thuận tăng từ 3,95V lên 4,2V, hệ số lý tưởng của thiết bị giảm từ 3,9 xuống 2,8. Sự tái hợp-không bức xạ do chất lượng dưới mức tối ưu của tấm epiticular được cho là có tính lý tưởng cao.
Theo các nhà nghiên cứu, các thành bên là nguồn gần như không đáng kể của-các trung tâm tái hợp không bức xạ do TMAH và các phương pháp xử lý thụ động mà chúng đã sử dụng. Tuy nhiên, có một số dấu hiệu cho thấy "phương pháp xử lý thụ động và TMAH có thể không hoàn toàn hiệu quả trong việc ngăn chặn sự tái hợp không-bức xạ bắt nguồn từ các khiếm khuyết do hư hỏng thành bên" trong các thiết bị nhỏ hơn, xuống tới 3μm.
Khi kích thước thiết bị giảm từ 100μm xuống 3μm, hiệu suất lượng tử bên ngoài cực đại (Hình 2) sẽ đẩy mật độ dòng điện lớn hơn, từ 15A/cm2 đến 70A/cm2. EQE có cường độ thấp hơn mức có thể đạt được với đèn LED thụ động màu xanh lá cây hoặc xanh lam.
Hình 2 hiển thị tỷ lệ sụt giảm EQE và EQE cao nhất cho từng kích thước thiết bị (điểm) cùng với các đường xu hướng so với giá trị cao nhất.
Nhóm nghiên cứu nhận thấy: "Độ suy giảm EQE giảm từ 67,5% xuống 17,9% khi kích thước thiết bị giảm", chứng minh rằng các thiết bị nhỏ hơn giúp cải thiện độ ổn định phát xạ ánh sáng ở mật độ dòng điện cao hơn do khả năng tản nhiệt vượt trội của chúng.
Các nhà nghiên cứu ghi nhận độ đồng đều trải rộng dòng điện cao hơn{0}} và hiệu suất khai thác ánh sáng (LEE) được cải thiện vì đã làm tăng EQE cho đường kính nhỏ hơn 30 μm. Các nhà nghiên cứu cho biết: “Các thiết bị nhỏ hơn phát ra ánh sáng gần các thành bên hơn, dẫn đến khúc xạ thành bên nhiều hơn và do đó LEE cao hơn”.
Toàn bộ chiều rộng ở mức tối đa một nửa (FWHM) của thiết bị là dưới 21 nm và bước sóng cực đại của chúng là khoảng 270 nm. Ở dòng điện thấp, bước sóng cực đại của thiết bị 3μm dịch chuyển xanh 2 nm, trong khi ở dòng điện cao hơn (trên 70A/cm2), nó dịch chuyển đỏ 1 nm.
Theo các nhà khoa học, sự thay đổi này là kết quả của các hiệu ứng-làm đầy băng tần và sự thu hẹp khoảng cách băng tần tự-làm nóng{2}}gây ra cạnh tranh với nhau. Đường truyền nhiệt được cải thiện, khiến nhiệt độ tiếp giáp tăng chậm hơn, là nguyên nhân gây ra sự dịch chuyển quang phổ tổng thể trên tất cả các mật độ hiện tại, chỉ khoảng 2 nm.
Với mật độ 43,6W/cm2, công suất phát sáng (LOP) của đèn LED 100μm là 4,5mW ở 35mA. Mật độ LOP tối đa cho đèn LED 3μm là 396W/cm2. "Điều này cũng có thể là do hiệu ứng dẫn sóng trong nhiều lớp AlGaN, trong đó các thiết bị lớn hơn bị mất điện nhiều hơn do đường quang dài hơn từ nhiều giếng lượng tử phát xạ tới không khí." Nhóm lưu ý rằng các thiết bị nhỏ hơn, có độ phân tán dòng điện{11}}đồng đều và độ ổn định nhiệt tốt hơn, có thể duy trì mật độ dòng điện cao hơn, nhờ đó đạt được mật độ năng lượng quang lớn hơn.
Nhiệt độ cực cao tại điểm nối do hoạt động ở điểm công suất tối đa sẽ làm tăng độ lão hóa và gây suy giảm nhiệt.
Mật độ LOP của thiết bị 3μm là 25,9W/cm2 ở mức 100A/cm2. Theo các nhà nghiên cứu, điều này có "tiềm năng tuyệt vời như một nguồn sáng quang khắc".
Dựa trên các thiết bị 6μm ở khoảng cách 10μm, các nhà nghiên cứu đã có thể mở rộng kích thước của dãy đèn LED UVC từ 16x16 pixel đã được ghi nhận trong tài liệu khoa học trước đây lên 160x90 pixel (2540/inch). Để cải thiện khả năng thu ánh sáng từ phía sau-thông qua nền sapphire mỏng hơn, các mảng này được phủ một bề mặt trên Al phản chiếu UVC-cao.
Với độ lệch thuận là 12V và mật độ dòng điện là 20A/cm2, mảng này tạo ra công suất quang đầu ra là 16,6mW. Ở mức 8A/cm2, EQE đạt đỉnh 4,1%.
Theo các nhà nghiên cứu, "Màn hình LED UVC micro-vượt qua mức hiệu chuẩn 25mW/cm2 của đèn thủy ngân 365nm dùng trong bộ chỉnh mặt nạ Karl Suss MA-6 để đáp ứng các yêu cầu về liều tiếp xúc với chất quang điện bằng cách cung cấp mật độ công suất quang thích hợp lên tới 1,1W/cm2 cho ánh sáng toàn màn hình."
Để đánh giá khả năng quang khắc, một mảng UVC 320x140 với 9μm pixel ở khoảng cách 12μm đã được sử dụng (Hình 3). Các va chạm indium được sử dụng để lật-chip dán mảng vào chip trình điều khiển CMOS. AZ MiR 703 nhạy cảm với dòng i-trong thiết lập mô hình tiệm cận đóng vai trò là chất quang dẫn của thử nghiệm. Ví dụ: màn hình LED vi mô có thể nhìn thấy được có thể được tạo ra bằng phương pháp quang khắc.
Hình 3: Quang khắc hiển thị bằng đèn LED UVC micro-cho thấy hình ảnh bề mặt (phải) và ảnh quang khắc không mặt nạ (trái) trên các tấm bán dẫn được phủ chất quang điện-. Trong năm giây, độ phơi sáng ở mức 80mA.
Mặc dù độ phân giải cấu trúc không tốt bằng độ phân giải đạt được khi tiếp xúc tiếp xúc, nhưng các nhà nghiên cứu nhận xét rằng kỹ thuật quang khắc không mặt nạ có thể được tăng cường nhiều nhờ các phương pháp lấy nét và thấu kính tương tự. Các phương pháp quang khắc không mặt nạ như vậy có thể giúp ngành công nghiệp bán dẫn tiết kiệm một lượng thời gian và tiền bạc đáng kể bằng cách loại bỏ yêu cầu về mặt nạ viết bằng laser, đặc biệt là vì băng thông đường truyền hẹp hơn cho đến kích thước pixel của mạch hiển thị vi mô-cho thấy nhiều hứa hẹn.
Bằng cách cải thiện chất lượng của tấm bán dẫn epiticular và đạt được sự căn chỉnh chính xác hơn, các nhà nghiên cứu muốn vượt qua giới hạn hiện tại là 320x140 pixel và mở ra cơ hội cho màn hình LED-UVC micro-có độ phân giải cao hơn nhiều với tối đa 8K pixel ở mỗi chiều, điều này cần thiết cho độ phân giải HD và UHD.
