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Sensoren, Produktion und Kommunikation Mikro-LEDs im UV-Spektrum mit 310 Nanometern

Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Anbieter zum Thema

Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik
ISH Ingenieursozietät GmbH
Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH
DMB Technics AG

Forscher haben mit einem speziellen Fertigungsverfahren Mikro-Leuchtdioden (LED) hergestellt, die im UV-Spektralbereich abstrahlen. Die winzigen LEDs lassen sich zu hochauflösenden Arrays eng aneinanderreihen.

UV-Mikro-LED: Das Ferdinand-Braun-Institut hat Mikro-Leuchtdioden hergestellt, die im UV-Spektralbereich abstrahlen. Damit sind hochauflösende LED-Arrays möglich. (Bild: Ferdinand-Braun-Institut)
UV-Mikro-LED: Das Ferdinand-Braun-Institut hat Mikro-Leuchtdioden hergestellt, die im UV-Spektralbereich abstrahlen. Damit sind hochauflösende LED-Arrays möglich.
(Bild: Ferdinand-Braun-Institut)

Mit der Technik von Mikro-LEDs sollen unter anderem künftige Displaysysteme ausgestattet werden. Wegen ihrer Größe bis hinunter zu 1,5 µm lassen sich die kleinen LEDs in Arrays zusammen fassen. Jetzt haben Forscher am Ferdinand-Braun-Institut (FBH) erste Prototypen von Mikro-LEDs hergestellt, die im ultravioletten Spektrum mit einer Wellenlänge von 310 nm emittieren.

Mit ihren Durchmessern von 1,5 µm sind sie hundert- bis tausendfach kleiner als herkömmlichen UV-LEDs. Die Mikro-LEDs können in Abständen (Pitch) bis hinunter zu 2 µm zu einem zweidimensionalen Array auf einem Chip zusammengefügt werden. Dadurch entstehen hochauflösende UVB-Emitterflächen. Einzeln oder als Array mit hoher Dichte kann man die UV-Mikro-LEDs unter anderem in der Sensorik, bei der Härtung von Kunststoffen, zur Fertigung von Halbleiterchips sowie für die optische Kommunikation einsetzen.

Pixel der Mikro-LEDs einzeln ansteuern

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. Damit sind individuelle Strukturen auf Halbleiterwafern möglich. Auch beim Rapid Prototyping und in der Fluoreszenzanalytik eröffnen sich mit der hochaufgelösten individuellen UV-Bestrahlung neue Anwendungen.

Parallel arbeiten die Forscher daran, die Technik auf UVC-LEDs zu übertragen. Darunter sind unter anderem Fern-UVC-LEDs mit extrem kurzen Emissionswellenlängen um 230 nm. Dafür will das FBH Partner finden, um Anwendungen von UV-Mikro-LEDs zu entwickeln und das Potenzial solcher Bauelemente auszuschöpfen

Knackpunkt Chip-Prozesstechnik

Mit ihren Durchmessern von 1,5 µm sind die Mikro-UV-LEDs hundert- bis tausendfach kleiner als herkömmlichen UV-LEDs.(Bild: Ferdinand-Braun-Institut)
Mit ihren Durchmessern von 1,5 µm sind die Mikro-UV-LEDs hundert- bis tausendfach kleiner als herkömmlichen UV-LEDs.
(Bild: Ferdinand-Braun-Institut)

Für die Herstellung wurden im ultravioletten Spektrum emittierende Halbleiterschichtstrukturen mit der Metallorganischen Gasphasenepitaxie abgeschieden und anschließend mithilfe lithografischer Prozesse sowie durch Plasmaätz- und Abscheideverfahren strukturiert. Die UV-Mikro-LEDs mit ihren Durchmessern zwischen 1,5 und 50 µm und mit einem Pitch zwischen 2 und 60 µm stellen hohe Anforderungen an die Justagegenauigkeit, Fertigungspräzision und Materialperfektion. Sie lassen sich nur mit modernen und speziell auf diese Anwendung zugeschnittenen lithografischen Verfahren erfüllen.

So war etwa eine exakte Ausrichtung der verschiedenen Prozessebenen zueinander (Overlaykontrolle) mit einer Genauigkeit von besser als 20 nm über den 2''-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.

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