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Pesquisadores demonstraram um processo contínuo de impressão em rolo que pode pegar e transferir mais de 75.000 dispositivos semicondutores em escala micrométrica em um único rolo com altíssima precisão. O novo método abre caminho para a criação de matrizes em larga escala de componentes ópticos e pode ser usado para fabricar rapidamente telas de micro-LED.
A tecnologia de exibição de micro-LED é de grande interesse porque pode realizar renderização de cores altamente precisa com alta velocidade e resolução usando pouca energia. Esses displays podem ser aplicados em uma ampla gama de formatos, incluindo telas de smartphones, dispositivos de realidade virtual e aumentada e grandes displays de vários metros de diâmetro. Para monitores micro-LED maiores, em particular, os desafios de integrar milhões de minúsculos LEDs – que às vezes são menores que um grão de areia fina – em um backplane de controle eletrônico são enormes.
“A transferência de dispositivos semicondutores em escala micrométrica de seu substrato nativo para uma variedade de plataformas receptoras é um desafio enfrentado internacionalmente por grupos de pesquisa acadêmica e indústrias”, disse o líder da equipe de pesquisa Eleni Margariti, da Universidade de Strathclyde, no Reino Unido. “Nosso processo de impressão baseado em rolos oferece uma maneira de conseguir isso de maneira escalável, ao mesmo tempo em que atende à exigente precisão necessária para esta aplicação.”
no diário Materiais Ópticos Expresso, os pesquisadores relatam que sua nova tecnologia de rolo pode corresponder ao layout do dispositivo projetado com uma precisão de menos de 1 mícron. A configuração também é barata e simples o suficiente para ser construída em locais com recursos limitados.
“Esse processo de impressão também pode ser usado para outros tipos de dispositivos, incluindo silício e eletrônicos impressos, como transistores, sensores e antenas para eletrônicos flexíveis e vestíveis, embalagens inteligentes e etiquetas de identificação por radiofrequência”, disse Margariti, que desenvolveu o novo processo de impressão . “Também pode ser útil para produzir energia fotovoltaica e para aplicações biomédicas, como sistemas de administração de medicamentos, biossensores e engenharia de tecidos”.
Transferência de dispositivos em larga escala
Os dispositivos semicondutores de hoje são normalmente fabricados em wafers usando técnicas de crescimento que depositam filmes finos semicondutores multicamadas primorosamente detalhados em substratos semicondutores. Questões de compatibilidade entre essas estruturas de filme fino e os tipos de substratos adequados para essa deposição restringem as formas como os dispositivos podem ser usados.
“Queríamos melhorar a transferência de um grande número de dispositivos semicondutores de um substrato para outro para melhorar o desempenho e o dimensionamento de sistemas eletrônicos usados em aplicações como displays e fotônica on-chip, onde o objetivo é combinar vários materiais que manipulam a luz em escala muito pequena”, disse Margariti. “Para ser usado na fabricação em larga escala, é crucial usar métodos que possam transferir esses dispositivos com eficiência, precisão e com o mínimo de erros”.
A nova abordagem começa com uma série de pequenos dispositivos que estão frouxamente ligados ao seu substrato de crescimento. A superfície de um cilindro contendo um filme de polímero de silicone ligeiramente pegajoso é então rolada sobre o conjunto suspenso de dispositivos, permitindo que as forças adesivas entre o silicone e o semicondutor separem os dispositivos de seu substrato de crescimento e os coloquem no tambor do cilindro. Como o processo de impressão é contínuo, ele pode ser usado para imprimir vários dispositivos simultaneamente, o que o torna altamente eficiente para produção em larga escala.
Impressão altamente precisa
“Ao selecionar cuidadosamente as propriedades do silicone e receber a superfície do substrato e a velocidade e a mecânica do processo de laminação, os dispositivos podem ser rolados com sucesso e liberados no substrato receptor, preservando o formato espacialmente organizado que tinham no substrato original”, disse. explicou Margariti. “Também desenvolvemos um método de análise personalizado que escaneia a amostra impressa em busca de defeitos e fornece o rendimento da impressão e precisão de posicionamento em apenas alguns minutos.”
Os pesquisadores testaram a nova abordagem com nitreto de gálio em estruturas semicondutoras de silício (GaN/Si). GaN é a tecnologia de semicondutor dominante usada para telas de micro-LED e o uso de substratos de silício facilitou a preparação dos dispositivos como estruturas suspensas que podem ser apanhadas pelo rolo. Eles foram capazes de transferir mais de 99% dos dispositivos em uma matriz de mais de 76.000 elementos individuais com uma precisão espacial abaixo de um mícron sem erros rotacionais significativos.
Em seguida, os pesquisadores estão trabalhando para melhorar ainda mais a precisão do processo de impressão e, ao mesmo tempo, aumentar o número de dispositivos que podem ser transferidos de uma só vez. Eles também planejam testar a capacidade do método de combinar diferentes tipos de dispositivos na mesma plataforma de recebimento e determinar se ele pode ser usado para imprimir em locais específicos da plataforma de recebimento.
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