Technologie

UV-Mikro-LEDs für Sensorik, Produktion und Kommunikation

21.07.2022 - Die winzigen LEDs lassen sich zu hochauflösenden Arrays eng aneinander reihen.

Am Ferdinand-Braun-Institut in Berlin haben Forscher erste Prototypen von Mikro-LEDs hergestellt, die im ultra­violetten Spektral­bereich emittieren, genauer im UVB-Bereich. Die Mikro-LEDs mit einer Emissions­wellen­länge von 310 Nanometern zeichnen sich durch eine geringe Größe der emittie­renden Fläche mit Durchmessern bis hinunter zu 1,5 Mikrometern aus. Das ist hundert- bis tausend­fach kleiner als bei herkömm­lichen UV-LEDs. Die Mikro-LEDs können in geringen Abständen bis hinunter zu zwei Mikrometern zu einem zwei­dimen­sionalen Array auf einem Chip zusammen­gefügt werden. Dadurch entstehen hoch­auf­lösende UVB-Emitter­flächen.

Einzeln oder als Array mit hoher Dichte können UV-Mikro-LEDs in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt werden – unter anderem in der Sensorik, bei der Härtung von Kunststoffen, zur Fertigung von Halbleiter­chips sowie für die optische Kommunikation. Aktuell werden am FBH sämtliche UV-Mikro-LEDs eines Arrays auf einem Chip gleichzeitig betrieben. Im nächsten Schritt sollen die Pixel über einen Steuerchip individuell angesteuert werden. Damit können individuelle Beleuchtungs­muster erzeugt und schnell moduliert werden, was beispiels­weise eine masken­freie Foto­litho­grafie ermöglicht. So lassen sich einfach, schnell und kosten­günstig individuelle Strukturen auf Halbleiter­wafern erzeugen.

Auch im Bereich des Rapid Prototyping und in der Fluoreszenz­analytik eröffnen sich durch die Möglichkeit der hoch­auf­ge­lösten indivi­duellen UV-Bestrahlung neue Anwendungen. Parallel arbeiten die Wissen­schaftler am FBH bereits daran, diese Technologie auf UVC-LEDs zu übertragen, unter anderem auf Fern-UVC-LEDs mit extrem kurzen Emissions­wellen­längen um 230 Nanometern. Dafür sollen nun Partner aus dem Anwendungs­bereich von UV-Mikro-LEDs gefunden werden, um die Technologie weiter­zu­ent­wickeln und das Potenzial solcher Bauelemente auszu­schöpfen.

Für die Herstellung wurden im ultra­violetten Spektral­bereich emittierende Halb­leiter­schicht­strukturen mittels metall­organischer Gasphasen­epitaxie abgeschieden und anschließend mithilfe litho­grafischer Prozesse sowie durch Plasmaätz- und Abscheide­verfahren strukturiert. Die UV-Mikro-LEDs mit geringen Durchmessern im Bereich zwischen 1,5 und 50 Mikrometern und mit einem Pitch zwischen zwei und sechzig Mikrometern stellen höchste Anforderungen an die Justage­genauigkeit, Fertigungs­präzision und Material­perfektion.

Diese konnten nur mithilfe von modernsten und speziell auf diese Anwendung zuge­schnittenen litho­grafischen Verfahren erfüllt werden. So war etwa eine exakte Ausrichtung der verschiedenen Prozess­ebenen zueinander mit einer Genauigkeit von besser als zwanzig Nanometern über den Zwei-Zoll-LED-Wafer erforderlich. Aufgrund der geringen Abmessungen der erzeugten UV-Mikro-LEDs wurden deren Eigen­schaften, wie beispiels­weise Durchmesser, Form und die Flanken­winkel der geätzten Halb­leiter­strukturen, mittels Elektronen­mikroskopie kontrolliert.

FBH / RK

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