Auf Galliumnitrid (GaN) basierende Leuchtdioden (LEDs) haben die Beleuchtungsindustrie verändert, indem sie herkömmliche Beleuchtungstechnologien durch höhere Energieeffizienz, längere Lebensdauer und größere Umweltverträglichkeit ersetzt haben. In den letzten Jahren wurde dem Trend zur Miniaturisierung von LEDs große Aufmerksamkeit gewidmet, der durch Anzeigegeräte, erweiterte Realität, virtuelle Realität und andere aufkommende Technologien vorangetrieben wurde.
Aufgrund des Mangels an kostengünstigen nativen Substraten stellt das Vorhandensein einer hohen Versetzungsdichte in heteroepitaktischen Filmen, die auf Saphirsubstraten gewachsen sind, einen wesentlichen limitierenden Faktor für die Geräteleistung dar. Darüber hinaus verringern Fresnel-Reflexionen an der Schnittstelle zwischen Epitaxie und Substrat, die durch abrupte Änderungen der Brechungsindizes des Materials verursacht werden, die Lichtenergieausnutzung.
Verteilte Nanonippel-Arrays auf den Facettenaugen mottenähnlicher Tiere weisen eine ausgezeichnete Antireflexionseigenschaft und ein starkes Lichtabsorptionsvermögen auf, was eine großartige Inspiration für eine verbesserte Lichtnutzung darstellt. Die schnelle und präzise Verarbeitung von Mikrostrukturen auf gekrümmten Oberflächen optoelektronischer Geräte ist jedoch eine große Herausforderung.
„Die üblichen Methoden der Projektionslithografie reagieren sehr empfindlich auf die Form des Substrats. Die Genauigkeit der Mikrostrukturdefinition kann daher beeinträchtigt sein, wenn das Substrat große Verformungen oder unregelmäßige Formen aufweist. Wir schlagen eine flexible Nanoimprint-Lithografietechnik vor, die eine durchsatzstarke und qualitativ hochwertige Verarbeitung bionischer Mikrostrukturen auf gekrümmten Oberflächen ermöglicht“, sagt Professor Shengjun Zhou.
Die Forscher entwickelten zunächst ein Array bionischer Mikrostrukturen und flexible Nanoimprinting-Formen. Die Herstellung der Mikrostrukturen erfolgte durch Thermokompressionsformen, Prägen, UV-Bestrahlung und ein speziell entwickeltes zweistufiges Ätzverfahren, um eine Vorlage für Facettenaugen-ähnliche Silica-Mikrostrukturen (NCSM) zu erhalten.
Es wird gezeigt, dass sich flexibles Nanoimprinting an Substratverformungen anpasst, eine präzise Definition von Mikrostrukturen ermöglicht und eine gute Haltbarkeit bietet. Im Vergleich zur Projektionslithografie wurde die Produktivität um den Faktor 6,4 gesteigert und wirtschaftliche Kosteneinsparungen von 25 % erzielt.
Die Forscher untersuchten das Wachstumsverhalten von GaN-Kristallen auf NCSM-Vorlagen durch epitaktische Wachstumsunterbrechungsexperimente. Sie fanden heraus, dass die Anpassung der Morphologie der Nukleationsschicht durch die NCSM-Vorlage dabei hilft, die Wachstumsorientierung von GaN zu steuern und epitaktische Filme mit geringer Versetzungsdichte zu erhalten. Darüber hinaus kann die NCSM-Vorlage die Lichtextraktionseffizienz der Geräte aufgrund der Modulation der Photonen durch die bionischen Mikrostrukturen deutlich verbessern.
Professor Sheng Liu sagt: „Dank dieser beiden Verbesserungen konnte die Lichtleistung von Mini-LEDs auf Basis der NCSM-Vorlage erheblich gesteigert werden.“
Er kommt zu dem Schluss: „Diese Studie ist vielversprechend für die effiziente Herstellung von Mikrostrukturen und die Leistungssteigerung optoelektronischer Geräte. In der Zukunft werden wir weiterhin flexible Nanoimprinting-Techniken erforschen und erwarten, dass sie breitere Anwendungsmöglichkeiten finden werden.“
Das Papier ist veröffentlicht im Journal Wissenschafts-Bulletin.
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Siyuan Cui et al., Flexible Nanoimprint-Lithographie ermöglicht die Hochdurchsatzfertigung bioinspirierter Mikrostrukturen auf verformten Substraten für effiziente III-Nitrid-Optoelektronikgeräte, Wissenschafts-Bulletin (2024). DOI: 10.1016/j.scib.2024.04.030