Un processo di stampa a rullo continuo in grado di prelevare e trasferire dispositivi semiconduttori su scala di oltre 75.000 micrometri in un singolo rotolo con una precisione molto elevata.

I ricercatori sviluppano un approccio che può consentire una produzione di massa economica di display micro-LED
Un approccio di stampa a rullo continuo può trasferire con precisione migliaia di dispositivi a semiconduttore microscopici in un solo colpo

I ricercatori hanno dimostrato un processo di stampa a rullo continuo in grado di prelevare e trasferire dispositivi semiconduttori su scala di oltre 75.000 micrometri in un singolo rotolo con una precisione molto elevata. Il nuovo metodo apre la strada alla creazione di array su larga scala di componenti ottici e potrebbe essere utilizzato per produrre rapidamente display micro-LED.

La tecnologia di visualizzazione micro-LED è di grande interesse perché può ottenere una resa cromatica estremamente accurata con velocità e risoluzione elevate utilizzando poca energia. Questi display possono essere applicati in un’ampia gamma di formati, inclusi schermi di smartphone, dispositivi di realtà virtuale e aumentata e display di grandi dimensioni di diversi metri di diametro. Per i display micro-LED più grandi, in particolare, le sfide dell’integrazione di milioni di minuscoli LED, che a volte sono più piccoli di un granello di sabbia fine, su un backplane di controllo elettronico sono enormi.

“Il trasferimento di dispositivi semiconduttori su scala micrometrica dal loro substrato nativo a una varietà di piattaforme di ricezione è una sfida affrontata a livello internazionale sia dai gruppi di ricerca accademici che dalle industrie”, ha affermato il leader del gruppo di ricerca Eleni Margariti dell’Università di Strathclyde nel Regno Unito. “Il nostro processo di stampa a rullo offre un modo per raggiungere questo obiettivo in modo scalabile, soddisfacendo al tempo stesso la precisione esigente necessaria per questa applicazione”.

Nella rivista Optical Materials Express , i ricercatori riferiscono che la loro nuova tecnologia a rulli può corrispondere al layout del dispositivo progettato con una precisione inferiore a 1 micron. L’installazione è anche economica e abbastanza semplice da poter essere costruita in luoghi con risorse limitate.

“Questo processo di stampa potrebbe essere utilizzato anche per altri tipi di dispositivi, tra cui silicio ed elettronica stampata come transistor, sensori e antenne per elettronica flessibile e indossabile, imballaggi intelligenti e tag di identificazione a radiofrequenza”, ha affermato Margariti, che ha sviluppato il nuovo processo di stampa . “Potrebbe anche essere utile per realizzare impianti fotovoltaici e per applicazioni biomediche come sistemi di somministrazione di farmaci, biosensori e ingegneria dei tessuti”.

Trasferimento di dispositivi su larga scala

I dispositivi a semiconduttore odierni sono generalmente fabbricati su wafer utilizzando tecniche di crescita che depositano film sottili semiconduttori multistrato squisitamente dettagliati su substrati semiconduttori. I problemi di compatibilità tra queste strutture a film sottile ei tipi di substrati adatti a questa deposizione vincolano i modi in cui i dispositivi possono essere utilizzati.

“Volevamo migliorare il trasferimento di un gran numero di dispositivi semiconduttori da un substrato all’altro per migliorare le prestazioni e il ridimensionamento dei sistemi elettronici utilizzati in applicazioni come display e fotonica su chip, dove l’obiettivo è combinare vari materiali che manipolano la luce su scala molto piccola”, ha detto Margariti. “Per essere utilizzati per la produzione su larga scala, è fondamentale utilizzare metodi in grado di trasferire questi dispositivi in ​​modo efficiente, accurato e con errori minimi”.

Il nuovo approccio inizia con una serie di minuscoli dispositivi che sono attaccati in modo lasco al loro substrato di crescita. La superficie di un cilindro contenente una pellicola polimerica siliconica leggermente appiccicosa viene quindi fatta rotolare sulla matrice sospesa di dispositivi, consentendo alle forze adesive tra il silicone e il semiconduttore di staccare i dispositivi dal loro substrato di crescita e disporli sul tamburo del cilindro. Poiché il processo di stampa è continuo, può essere utilizzato per stampare contemporaneamente numerosi dispositivi, il che lo rende altamente efficiente per la produzione su larga scala.

Stampa altamente accurata

“Selezionando attentamente le proprietà del silicone e la superficie del substrato ricevente e la velocità e la meccanica del processo di laminazione, i dispositivi possono essere ribaltati e rilasciati con successo sul substrato ricevente preservando il formato disposto spazialmente che avevano sul substrato originale.” ha spiegato Margherita. “Abbiamo anche sviluppato un metodo di analisi personalizzato che esegue la scansione del campione stampato alla ricerca di difetti e fornisce la resa di stampa e la precisione di posizionamento in pochi minuti”.

I ricercatori hanno testato il nuovo approccio con nitruro di gallio su strutture semiconduttrici di silicio (GaN/Si). GaN è la tecnologia dei semiconduttori dominante utilizzata per i display a micro-LED e l’utilizzo di substrati di silicio ha facilitato la preparazione dei dispositivi come strutture sospese che potrebbero essere raccolte dal rullo. Sono stati in grado di trasferire oltre il 99% dei dispositivi in ​​una matrice di oltre 76.000 singoli elementi con una precisione spaziale inferiore a un micron senza errori di rotazione significativi.

Successivamente, i ricercatori stanno lavorando per migliorare ulteriormente la precisione del processo di stampa, aumentando anche il numero di dispositivi che possono essere trasferiti contemporaneamente. Hanno anche in programma di testare la capacità del metodo di combinare diversi tipi di dispositivi sulla stessa piattaforma di ricezione e determinare se può essere utilizzato per stampare in posizioni specifiche della piattaforma di ricezione.