Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Reihe von UV-Mikro-LED mit 2 µm Abstand (Pitch) durch ein Rasterelektronenmikroskop.

Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Reihe von UV-Mikro-LED mit 2 µm Abstand (Pitch) durch ein Rasterelektronenmikroskop. (Bild: FBH)

UV-Lichtquellen haben in der Industrie eine enorme Anwendungsbandbreite: Von der Sensorik über den 3D-Druck mit flüssigen Harzen bis zur optische Kommunikation über Glasfasern. Am Berliner Ferdinand-Braun-Institut (FBH) haben Forschende nun erste Prototypen von UVB-Mikro-LEDs mit 310 Nanometern Wellenlänge hergestellt, die nur noch  1,5 Mikrometer im Durchmeter messen. Das ist hundert- bis tausendfach kleiner als bei herkömmlichen UV-LEDs.

Was sind UV-LEDs?

Unter UV-LEDs versteht man Leuchtdioden, die ultraviolettes Licht im Wellenlängenbereich zwischen 100 und 380 Nanometern (nm) abstrahlen. Der Bereich ist unterteilt in UVA (315-380 nm), UVB (280-315 nm) und UVC (100-280 nm). UV-Licht ist sehr energiereich und kann vielfältig eingesetzt werden von der Desinfektion von Flächen bis zur schnellen industriellen Härtung von Kunst- oder Klebstoffen. Es kann aber bei Menschen zu Gewebeschäden führen, etwa in den Augen.

Warum ist die Winzigkeit der LEDs von Vorteil?

Die Mikro-LEDs können in geringen Abständen (Pitch) bis hinunter zu 2 Mikrometern zu einem zweidimensionalen Array auf einem Chip zusammengefügt werden. So ist eine effiziente Produktion möglich und es entstehen hochauflösende UVB-Emitterflächen.

Wie werden die UV-Mikro-LEDs hergestellt?

Elektronenmikroskopische Aufnahme einer einzelnen UV-Mikro-LED mit 1,5 µm Durchmesser.
Elektronenmikroskopische Aufnahme einer einzelnen UV-Mikro-LED mit 1,5 µm Durchmesser. (Bild: FBH)

Die UV-Mikro-LEDs mit geringen Durchmessern im Bereich zwischen 1,5 und 50 µm und mit einem Pitch zwischen 2 und 60 µm stellen höchste Anforderungen an die Justagegenauigkeit, Fertigungspräzision und Materialperfektion. Diese konnten nur mithilfe von speziell auf diese Anwendung zugeschnittenen lithografischen Verfahren erfüllt werden.

So war etwa eine exakte Ausrichtung der verschiedenen Prozessebenen zueinander (Overlaykontrolle) mit einer Genauigkeit von besser als 20 nm über LED-Wafer mit zwei Zoll Durchmesser 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.

Wie geht es mit den UV-Mikro-LEDs weiter?

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 (Härtung von Kunststoffen) und in der Fluoreszenzanalytik eröffnen sich durch die Möglichkeit der hochaufgelösten individuellen UV-Bestrahlung neue Anwendungen.

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Parallel arbeiten die Forschenden am FBH bereits daran, diese Technologie auf UVC-LEDs mit extrem kurzen Emissionswellenlängen um 230 nm zu übertragen, was weitere Anwendungsmöglichkeiten erschließen würde.

Dafür sollen nun Partner aus dem Anwendungsbereich von UV-LEDs gefunden werden.

Mehr über die Forschung an UV-LEDs findet sich in folgendem Youtube-Video des FBH:

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