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npj Electrical Electronics volume 6, numero articolo: 44 (2022) Citare questo articolo

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L'assemblaggio programmabile e su vasta area di diversi microoggetti su substrati arbitrari è un compito fondamentale ma impegnativo. Qui viene proposta una semplice tecnica di microassemblaggio a livello di wafer basata sul cambiamento innescato dalla luce sia nella topografia superficiale che nell'adesione interfacciale di un polimero morbido fotosensibile. In particolare, la crescita del polimero regolata dalla luce crea zone localmente dentellate e rialzate sulla superficie del timbro. La riduzione dell'adesione mediata dalla luce, invece, facilita il rilascio degli inchiostri dal polimero. L'interazione di questi due effetti rende possibile l'assemblaggio programmabile di componenti ultrapiccoli su vari substrati rivestiti con strati adesivi supplementari. La fedeltà di questa tecnica è convalidata assemblando diversi materiali e dispositivi funzionali, con dimensioni di stampa fino a 4 pollici. Questo lavoro fornisce una strategia razionale per l'assemblaggio programmabile e su larga scala di diversi micro-oggetti delicati, aggirando i problemi comuni di alcune tecniche esistenti come scarsa uniformità di trasferimento, piccola area di stampa e costi elevati.

Le tecniche per l'integrazione eterogenea di materiali diversi dai substrati coltivati ai substrati riceventi di interesse nei layout desiderati sono state ampiamente esplorate negli ultimi decenni1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12, 13,14,15,16,17,18,19,20,21. Grazie al progresso in varie tecniche di microassemblaggio, è stata dimostrata un'ampia gamma di dispositivi proof-of-concept e sistemi funzionali, aprendo un grande potenziale in varie applicazioni come display ad alta risoluzione2,10,22,23,24, optoelettronica flessibile25,26,27, elettronica biointegrata28,29, elettronica curvilinea30 e molte altre applicazioni avanzate19,31,32,33. Questi metodi di microassemblaggio, tuttavia, sono ancora allo stadio iniziale di sviluppo. La mancanza di tecniche di assemblaggio mature ha ostacolato il percorso verso la commercializzazione di molti dispositivi e applicazioni diversi.

La capacità di assemblaggio programmabile di minuscoli chip è di vitale importanza7,9,13,14,20. Un merito notevole di tale trasferimento programmabile è l’efficace controllo dei costi. Il trasferimento programmabile consente di trasferire una piccola porzione dei componenti alla volta, mentre i restanti dispositivi rimangono ancora sul substrato donatore5,14,20. Di conseguenza, qualsiasi potenziale rischio di spreco del dispositivo può essere ridotto al minimo. Altro pregio è la gestione dei difetti. I dispositivi difettosi possono essere esclusi e solo i dispositivi funzionanti vengono trasferiti selettivamente sul substrato target. Ancora più importante, il microassemblaggio programmabile consente di disporre i componenti in un formato diverso da quello originale7,9,22. Ad esempio, la spaziatura e il passo degli oggetti trasferiti possono essere regolati in base alle necessità del singolo utente. Un esempio di applicazioni che richiedono un assemblaggio programmabile è il display a diodi a emissione di luce su microscala (Micro-LED)7,22,24,29,34,35, che ha ricevuto un intenso interesse di ricerca da parte dell'industria dei display, a causa della sua elevata luminosità, bassa consumo energetico e velocità di commutazione elevata. Per questa particolare applicazione, milioni di chip Micro-LED con dimensioni fino a poche decine di micron devono essere preparati densamente su wafer sorgente per risparmiare sui costi e quindi trasferiti e stampati su un backplane guidato con i layout desiderati in una forma relativamente sparsa. Sebbene questi chip ultrapiccoli siano favorevoli per massimizzare la densità del chip per area, pongono serie sfide per l’assemblaggio di precisione. Con la riduzione delle dimensioni del chip a 100 µm o meno, è stato riportato che la forza di Van Der Waals (VDW) e/o la forza elettrostatica sulla superficie del chip possono prevalere sulla forza gravitazionale36. Di conseguenza, il rilascio preciso e veloce di questi minuscoli dispositivi basati su tecniche pick-and-place convenzionali utilizzando pinze robotiche e ugelli per il vuoto diventa sempre più difficile. Per questi motivi, è altamente auspicabile lo sviluppo di tecniche alternative per l'assemblaggio programmabile ad alto rendimento di componenti ultrapiccoli con un rendimento elevato e una velocità elevata.

can then be readily released by breaking the tethers and then transferred to a target transparent glass coated with a SU8 as the adhesion layer (Fig. 6b). Thanks to the robust transfer process and large adhesion switchability of the photo-sensitive stamp, nearly 100% transfer yield of the Micro-LED has been achieved. SEM inspection and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis confirm the transferred chips are free from contamination (Supplementary Fig. 18). Minimized electrical degradation is confirmed by comparing the I-V characteristic of Micro-LEDs on the original growth Si <111> wafer with those transferred to the glass substrate, indicating the transfer process has minimized side-effect on the device performance (Fig. 6c). However, the emission wavelength is slightly redshifted, owning to the strain release during undercutting the LED devices55 and/or junction heating56 (Fig. 6d)./p> wafer using a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) system (Oxford Plasmalab 800Plus). On top of the SiO2 film, an AZ2035 photoresist layer was then spun coated, and patterned by optical lithography. The next step was to deposit 250 nm, Au, using a Metal E-beam Evaporator (DE400) at a base pressure of <5 × 10−7 Torr, followed by a metal lift-off process using acetone solvent to strip off the photoresist. The sacrificial SiO2 layer was then undercut by diluted BOE etch for 60 s using the patterned Au as a mask, resulting in form of suspended Au membrane arrays weakly bonded to the substrate and ready for printing./p> wafers, with epi-stacks consisting of 150 nm p-GaN dopped with Mg, 200-nm InGaN/GaN Multiple Quantum Wells (MQWs), 1600-nm n-GaN dopped with Si and 1450-nm GaN buffer (Supplementary Fig. 15). The fabrication procedure is schematically shown in Supplementary Fig. 16. The process began with depositing a transparent conducting film ITO (250 nm) on p-GaN by using a sputter system, followed by rapid thermal annealing at 550 °C for 5 min in O2 ambient to form an ohmic contact to p-GaN. A wet etching using HCl solution was conducted to form well-defined ITO pattern using photolithographic defined AZ4620 resist as a mask. The same photo-resist AZ4620 mask was then used to expose the regions of n-GaN by dry etching using an inductively coupled plasma (ICP) system (Oxford Plasmalab system 133). After stripping off the residual resist, A 500 nm layer of SiO2 was deposited by PECVD, followed by BOE wet etching to form a patterned SiO2 mask using lithography defined AZ 4620 photoresist. This SiO2 mask was then used to define isolated GaN mesa array structures, which also define the emission area (50 μm × 80 μm). A 300 nm SiO2 passivation layer was deposited by PECVD and patterned by photo-lithography. Both p-contact and n-contact metal pads (Ti:10 nm/Au:350 nm) are deposited via e-beam evaporator, followed by a lift-off process using a patterned AZ2035 photoresist. The formed contact pads were then annealed at 450 °C for 45 s in O2 ambient. Finally, anisotropic undercut etching of the silicon was performed by immersing the sample in a solution of TMAH at 85 °C for 30 min to form tethered Micro-LED structures for transfer printing./p>. The formed GaN mesas were then served as masks to undercut the silicon underneath, results in forming printable GaN inks weakly bonded to the substrate./p>