Los investigadores han demostrado un proceso de impresión de rodillo continuo que puede recoger y transferir dispositivos semiconductores de escala de 75 000 micrómetros en un solo rollo con una precisión muy alta. El nuevo método allana el camino para crear conjuntos de componentes ópticos a gran escala y podría usarse para fabricar rápidamente pantallas micro-LED.

La tecnología de pantalla Micro-LED es de gran interés porque puede lograr una reproducción de color de alta precisión con alta velocidad y resolución usando poca energía. Estas pantallas se pueden aplicar en una amplia gama de formatos, incluidas pantallas de teléfonos inteligentes, dispositivos de realidad virtual y aumentada y pantallas grandes de varios metros de ancho. Para pantallas micro-LED más grandes, en particular, los desafíos de integrar millones de LED diminutos, que a veces son más pequeños que un grano de arena fina, en una placa posterior de control electrónico son enormes.

« Transferir dispositivos semiconductores a escala micrométrica desde su sustrato nativo a una variedad de plataformas receptoras es un desafío que enfrentan tanto los grupos de investigación académicos como las industrias a nivel internacional », dijo la líder del equipo de investigación, Eleni Margariti, de la Universidad de Strathclyde en el Reino Unido. « Nuestro proceso de impresión basado en rodillos ofrece una manera de lograr esto de manera escalable mientras cumple con la exigente precisión necesaria para esta aplicación ».

En la revista Optical Materials Express, los investigadores informan que su nueva tecnología de rodillos puede coincidir con el diseño del dispositivo diseñado con una precisión de menos de 1 micrón. La configuración también es económica y lo suficientemente simple como para construirse en lugares con recursos limitados.

« Este proceso de impresión también podría usarse para otros tipos de dispositivos, incluidos el silicio y la electrónica impresa, como transistores, sensores y antenas para dispositivos electrónicos flexibles y portátiles, empaques inteligentes y etiquetas de identificación por radiofrecuencia », dijo Margariti, quien desarrolló el nuevo proceso de impresión.. « También podría ser útil para fabricar energía fotovoltaica y para aplicaciones biomédicas, como sistemas de administración de fármacos, biosensores e ingeniería de tejidos ».

Transferencia de dispositivos a gran escala

Los dispositivos semiconductores de hoy en día se fabrican típicamente en obleas utilizando técnicas de crecimiento que depositan películas delgadas semiconductoras multicapa exquisitamente detalladas sobre sustratos semiconductores. Los problemas de compatibilidad entre estas estructuras de película delgada y los tipos de sustratos adecuados para esta deposición limitan las formas en que se pueden usar los dispositivos.

« Queríamos mejorar la transferencia de una gran cantidad de dispositivos semiconductores de un sustrato a otro para mejorar el rendimiento y la escala de los sistemas electrónicos utilizados en aplicaciones como pantallas y fotónica en chip, donde el objetivo es combinar varios materiales que manipulan la luz. en una escala muy pequeña », dijo Margariti. « Para ser utilizados para la fabricación a gran escala, es crucial utilizar métodos que puedan transferir estos dispositivos de manera eficiente, precisa y con errores mínimos ».

El nuevo enfoque comienza con una serie de dispositivos diminutos que se unen de forma suelta a su sustrato de crecimiento. Luego, la superficie de un cilindro que contiene una película de polímero de silicona ligeramente pegajosa se enrolla sobre la matriz suspendida de dispositivos, lo que permite que las fuerzas adhesivas entre la silicona y el semiconductor separen los dispositivos de su sustrato de crecimiento y los coloquen en el tambor del cilindro. Debido a que el proceso de impresión es continuo, se puede utilizar para imprimir simultáneamente numerosos dispositivos, lo que lo hace muy eficiente para la producción a gran escala.

Impresión de alta precisión

« Al seleccionar cuidadosamente las propiedades de la silicona y la superficie del sustrato receptor y la velocidad y la mecánica del proceso de enrollado, los dispositivos se pueden enrollar y liberar con éxito en el sustrato receptor mientras se conserva el formato de disposición espacial que tenían en el sustrato original ». explicó Margariti. « También desarrollamos un método de análisis personalizado que escanea la muestra impresa en busca de defectos y proporciona el rendimiento de impresión y la precisión de posicionamiento en solo minutos ».

Los investigadores probaron el nuevo enfoque con nitruro de galio en estructuras semiconductoras de silicio (GaN/Si). GaN es la tecnología de semiconductores dominante utilizada para pantallas micro-LED, y el uso de sustratos de silicio facilitó la preparación de los dispositivos como estructuras suspendidas que podrían ser recogidas por el rodillo. Pudieron transferir más del 99 % de los dispositivos en una matriz de más de 76 000 elementos individuales con una precisión espacial inferior a una micra sin errores de rotación significativos.

A continuación, los investigadores están trabajando para mejorar aún más la precisión del proceso de impresión y, al mismo tiempo, aumentar la cantidad de dispositivos que se pueden transferir a la vez. También planean probar la capacidad del método para combinar diferentes tipos de dispositivos en la misma plataforma de recepción y determinar si se puede usar para imprimir en ubicaciones específicas de la plataforma de recepción.