Electro-kinetically enhanced nano-metric material removal

This project is a fundamental proof of concept to look at the feasibility of using field activated abrasive particles to achieve material removal on a substrate. There are a few different goals for this project. The first goal is to prove through visualization that particle movement can be influenced and controlled by changes in electric field. The second goal is to fundamentally prove that particles controlled by electric field can remove material from a substrate. Third, it should be shown that changes in electric field can control the amount of material being removed in a given amount of time. A mathematical model will be presented which predicts metallic material removal rates based on changes in electric field strength. In this project, a technique combining concepts from electrokinetics, electrochemical mechanical planarization, and contact mechanics is proposed, aiming at enhancing planarization performance. By introducing an AC electric field with a DC offset, we try to achieve not only a better control of metallic material removal but also more flexible manipulation of the dynamic behaviour of abrasive particles. The presence of electric field will lead to electrokinetic phenomena including electroosmotic flow of an electrolyte solution and electrophoretic motion of abrasive particles. As a result, we aim to improve both the mechanical performance of planarization that is largely determined by the polishing parameters (e.g. down pressure, rotation speed, pads, and types of abrasives) and the chemical performance of planarization that is governed by selective and collective reactions of different chemical ingrediants of the slurry with the sample surface. The aim is also to understand and improve the interactions of abrasive particles with the sample.M.S.Committee Chair: Danyluk, Steven; Committee Member: Butler, David; Committee Member: Hesketh, Peter; Committee Member: Yoda, Minam

CFD simulation of contact planarization

Semiconductor devices form the essential components of most electronic devices. The fabrication of circuit elements to manufacture these devices is done by a process known as photolithography, using photoresist layer deposition, optical masks, and etching. As feature sizes become smaller, higher optical precision is required, necessitating an optically flat surface on the photoresist layer. The surface of the photoresist layer can become uneven because of conformation to the topography of the layers underneath or a change in shape of the layer after evaporation of solvent. To combat this, Brewer Science, Inc. has developed a contact planarization process (CON-TACT®) in which an optically flat surface is used to transfer its planarity to the surface of the photoresist. However, due to high pressure from the viscous photoresist fluid during the process, the optically flat surface becomes deformed. To solve this problem, a detailed simulation and analysis of the pressure distribution along the plate is needed to find the optimal conditions to reduce the deformation of the optically flat surface. In the current work, the CFD package FLUENT was used to simulate the evaporation and planarization processes --Abstract, page iii

디스플레이 및 이미징 시스템으로의 응용을 위한 3D 프린팅 기반 맞춤형 광학 요소의 개발

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2021. 2. 홍용택.일반적으로 제조 공정은 절삭 방식과 적층 방식으로 구분된다. 이 중에서 적층 방식 공정은 저비용 및 단시간으로 복잡한 형태의 구조를 만들 수 있어서 이에 대한 연구와 개발이 꾸준히 진행되어왔다. 특히 3D 프린팅은 적층 방식 공정 중에서 가장 대표적인 방법으로, 기계 부품 및 생체 기관 제조 등의 분야에서는 이미 상용화가 진행되고 있다. 하지만 전자 소자 및 광학 요소 분야에서의 3D 프린팅의 활용은 여전히 연구 개발 또는 시제품 제작 단계에 머무르고 있다. 특히 마이크로 렌즈, 컬러 필터 등이 3D 프린팅으로 응용할 수 있는 가장 가능성 있는 광학 요소로서 디스플레이 및 이미징 시스템에 널리 사용될 것으로 예상되지만 여전히 상용화를 위한 연구가 진행 중이다. 또한 3D 프린팅을 이용한 광학 요소의 제작은 소재, 길이 스케일, 형상 및 응용 방안 등에서도 제한이 많은 상황이다. 따라서 이러한 문제를 극복하기 위해서는 디스플레이 및 이미징 시스템에서의 3D 프린팅 된 광학 요소의 유용성을 확장해야 하며, 다음과 같이 세 가지 측면에서 향상된 성능을 달성해야 한다. 첫째, 다양한 방식의 3D 프린팅 방법을 통해 마이크로미터에서 센티미터까지 광범위의 길이 스케일을 가지는 구조물의 제작이 가능해야 한다. 둘째, 임의의 곡면, 계층적 구조 등 복잡한 형상의 구조물을 쉽게 제작할 수 있어야 한다. 셋째, 단단한 소재 대신 탄성체와 같은 소프트 소재를 이용하여 광학적인 기능을 용이하게 조절할 수 있어야 한다. 이와 같은 동기를 바탕으로 본 학위 논문에서는 디스플레이 및 이미징 시스템으로의 응용을 위한 3D 프린팅 기반 맞춤형 광학 요소의 개발에 대한 내용을 보고한다. 3D 프린팅 기반 광학 요소를 매크로 스케일, 마이크로 스케일 그리고 매크로 및 마이크로 스케일이 혼합된 계층적 구조 등 세 가지 유형으로 분류하고 각각에 대한 응용 분야를 제시한다. 매크로 스케일의 광학 요소로는 가장 기본적인 요소인 렌즈와 거울을 선택한다. 렌즈는 공압식 디스펜싱 방법을 이용하여 실린드리컬 쌍 형태로 제작되었으며, 심리스 모듈러 평판식 디스플레이의 구현을 위해 적용된다. 또한 용융 적층 방식의 3D 프린팅으로 만들어진 몰드를 이용하여 거울을 제작하고, 이를 이용하여 심리스 모듈러 커브드 엣지 디스플레이를 구현한다. 이와 같이 모듈러 디스플레이의 이음새 부분에 3D 프린팅으로 제작된 렌즈 또는 거울을 부착하는 방식으로 화면을 심리스로 확장하는 기술을 제시하고, 다양한 형태의 디스플레이에 적용할 수 있는 가능성을 보여준다. 마이크로 스케일의 광학 요소로는 발광 다이오드에서 색 변환과 광 추출 기능을 동시에 나타내는 색 변환 마이크로 렌즈를 선택한다. 양자 점/광 경화성 고분자 복합체의 전기수력학적 프린팅을 통해 양자 점이 내장된 다양한 형태의 색 변환 마이크로 렌즈를 제작하며, 이를 청색 마이크로 발광 다이오드 어레이의 발광부 상에 적용하여 풀 컬러 마이크로 발광 다이오드 디스플레이로의 응용 가능성을 제시한다. 마지막으로 매크로 및 마이크로 스케일이 혼합된 계층적 구조의 광학 요소로서 디스펜싱 및 건식 러빙 과정의 조합으로 제작된 겹눈 형태를 모사한 렌즈 구조를 제시한다. 반구 형태의 매크로 렌즈를 디스펜싱으로 형성하고, 매크로 렌즈의 곡면 상에 단층의 마이크로 입자의 배열을 얻기 위해 건식 러빙 공정을 진행한다. 이러한 방식으로 형성된 계층적 구조가 소프트한 소재로 복제되어서 신축성을 가지는 겹눈 형태 모사 구조가 완성된다. 마이크로 렌즈 어레이는 매크로 렌즈의 표면을 따라 형성되고 리지드 아일랜드로 역할을 하여, 전체 계층적 구조에 기계적 변형이 가해져 매크로 렌즈의 모양이 변형되어도 마이크로 렌즈는 형상과 해상도, 초점 거리 등의 광학적 특성을 유지할 수 있다. 본 학위 논문은 3D 프린팅을 이용하여 다양한 형태와 스케일의 광학 요소를 제작하고 디스플레이 및 이미징 시스템으로의 여러 응용을 보여줌으로서 앞으로의 새로운 연구 및 개발 방향성을 제시하는 것을 주요 목적으로 한다. 3D 프린팅 설비의 단가가 낮아지고 정밀도 및 해상도가 높아지는 추세에 따라, 광학 요소를 쉽게 만들고 응용할 수 있는 맞춤형 광학 또는 스스로 구현하는 광학 분야가 변형 가능하고 멀티 스케일의 광학계로 점차 확대될 것으로 예상된다. 궁극적으로는 차세대 디스플레이 및 이미징 시스템에 필요한 광학 요소를 위한 기술의 저변을 넓히고, 이를 산업 전반에 응용할 수 있는 기반을 마련하고자 한다.Generally, the manufacturing process is divided into the subtractive (top-down) type and additive type (bottom-up). Among them, the additive manufacturing process has attracted a lot of attention because it can manufacture products with complex shapes in a low-cost and short-time process. In particular, three-dimensional (3D) printing is a representative method, which has already been commercialized in the field of mechanical components and biomedical organ. However, it remains in the research and development step in the field of electronic devices and optical components. Especially, although 3D printed optical components including microlens and color filter are expected to be widely used in display and imaging systems, it is still under investigation for commercialized products, and there are limitations in terms of materials, length scale, shape, and practical applications of components. Therefore, to overcome these issues, it is required for investigating and expanding the potential usefulness for 3D printed optical components in display and imaging systems to achieve better performance, productivity, and usability in three aspects. First, it should be possible to manufacture structures with a wide range of length scales from micrometer to centimeter through various 3D printing methods. Second, complex shapes such as free-from curved surfaces and hierarchical structures should be easily fabricated. Third, it is necessary to add functionality by manufacturing structures in which tunable functions are introduced using soft materials like an elastomer. Based on the above motivations, 3D printing-based customized optical components for display and imaging system applications are introduced in this dissertation. 3D printed optical components are classified into three types and their applications are showed to verify the scalability of 3D printing: macro-scale, microscale, and hierarchical macro/micro-scale. As macro-scale printed optical components, lens and mirror which are the most basic optical components are selected. The lens is fabricated by a pneumatic-type dispensing method with the form of a cylindrical pair and adopted for demonstration of seamless modular flat panel display. Besides, a seamless modular curved-edge display is also demonstrated with a mirror, which is fabricated from fused deposition modeling (FDM)-type 3D printed mold. By simply attaching a printed lens or mirror onto the seam of the modular display, it is possible to secure seamless screen expansion technology with the various form factor of the display panel. In the case of micro-scale printed optical components, the color-convertible microlens is chosen, which act as a color converter and light extractor simultaneously in a light-emitting diode (LED). By electrohydrodynamic (EHD) printing of quantum dot (QD)/photocurable polymer composite, QD-embedded hemispherical lens shape structures with various sizes are fabricated by adjusting printing conditions. Furthermore, it is applied to a blue micro-LED array for full-color micro-LED display applications. Finally, a tunable bio-inspired compound (BIC) eyes structure with a combination of dispensing and a dry-phase rubbing process is suggested as a hierarchical macro/micro-scale printed optical components. A hemispherical macrolens is formed by the dispensing method, followed by a dry-phase rubbing process for arranging micro particles in monolayer onto the curved surface of the macrolens. This hierarchical structure is replicated in soft materials, which have intrinsic stretchability. Microlens array is formed on the surface of the macrolens and acts as a rigid island, thereby maintaining lens shape, resolution, and focal length even though the mechanical strain is applied to overall hierarchical structures and the shape of the macrolens is changed. The primary purposes of this dissertation are to introduce new concepts of the enabling technologies for 3D printed optical components and to shed new light on them. Optical components can be easily made as 3D printing equipment becomes cheaper and more precise, so the field of Consumer optics or Do it yourself (DIY) optics will be gradually expanded on deformable and multi-scale optics. It is expected that this dissertation can contribute to providing a guideline for utilizing and customizing 3D printed optical components in next-generation display and imaging system applications.Chapter 1. Introduction 1 1.1. Manufacturing Process 1 1.2. Additive Manufacturing 4 1.3. Printed Optical Components 8 1.4. Motivation and Organization of Dissertation 11 Chapter 2. Macro-scale Printed Optical Components 15 2.1. Introduction 15 2.2. Seamless Modular Flat Display with Printed Lens 20 2.2.1. Main Concept 20 2.2.2. Experimental Section 23 2.2.3. Results and Discussion 26 2.3. Seamless Modular Curved-edge Display with Printed Mirror 32 2.3.1. Main Concept 32 2.3.2. Experimental Section 33 2.3.3. Results and Discussion 36 2.4. Conclusion 46 Chapter 3. Micro-scale Printed Optical Components 47 3.1. Introduction 47 3.2. Full-color Micro-LED Array with Printed Color-convertible Microlens 52 3.2.1. Main Concept 52 3.2.2. Experimental Section 54 3.2.3. Results and Discussion 57 3.3. Conclusion 65 Chapter 4. Hierarchical Macro/Micro-scale Printed Optical Components 66 4.1. Introduction 66 4.2. Tunable Bio-inspired Compound Eye with Printing and Dry-phase Rubbing Process 69 4.2.1. Main Concept 69 4.2.2. Experimental Section 71 4.2.3. Results and Discussion 73 4.3. Conclusion 79 Chapter 5. Conclusion 80 5.1. Summary 80 5.2. Limitations and Suggestions for Future Researches 83 References 88 Abstract in Korean (국문 초록) 107Docto

Modeling and simulation of disordered light management structures in optoelectronic devices

Um die Lichtausbreitung innerhalb optoelektronischer Bauelemente gezielt zu manipulieren greift Lichtmanagement zunehmend auf ungeordnete Strukturen und Materialien zurück. Die quantitative Beschreibung dieser ungeordneten Teilchensysteme wird jedoch maßgeblich durch das Fehlen von Symmetrien erschwert. Hierdurch verlangt insbesondere die Diskrepanz der einzelnen Größenordnungen innerhalb eines Systems Modellierungswerkzeuge mit einem breiten Anwendungsbereich. Um die Streuprobleme in den typischen Dünnschichtsystemen optoelektronischer Bauelemente abzubilden, wird in dieser Arbeit eine Simulationsmethode genutzt, welche die gestreuten elektromagnetischen Felder in Kugelwellen abbildet und mit einem Formalismus für ebene Wellen kombiniert. Im Vergleich zu den etablierten differentiellen Methoden und Integralansätzen profitiert der gewählte Reihenansatz maßgeblich von einer stark reduzierten Anzahl an Unbekannten, erweist sich allerdings im Falle komplexer Streugeometrien bisher als nicht ausreichend flexibel. Bei Streuanordnungen aus nichtkugelförmigen Partikeln erfordert die T-Matrix-Methode beispielsweise einen Mindestabstand zwischen benachbarten Partikeln, um die Mehrfachstreuung richtig auflösen zu können und erweist sich daher ungeeignet für das Modellieren von dichten Partikelanhäufungen. In der Praxis kann die Methode zur optischen Modellierung somit nicht immer ihrem Ziel der Optimierung und Unterstützung der Bauelementeherstellung gerecht werden. In dieser Arbeit wird ein alternatives Verfahren zur Berücksichtigung direkter Wechselwirkungen zwischen nichtkugelförmigen Teilchen vorgestellt. Der Formalismus basiert auf einer zwischenzeitlichen Umwandlung des Translationsoperators für Kugelwellen in ein System ebener Wellen. Hierdurch können die sich ausbreitenden Felder vom evaneszenten Feld getrennt und die direkten Wechselwirkungen zwischen nichtsphärischen, konvexen Partikeln für beliebige Abstände ermittelt werden. Um den Rechenaufwand weiter zu reduzieren, werden periodische Randbedingungen für die T-matrix-Methode auf Basis von Ewald-Summen in das bestehende Modell integriert. Neben der Modellierung streng periodische Systeme kann der Reihenansatz somit ebenfalls auf die Untersuchung großer, periodischer Einheitszellen erweitert werden. Es wird untersucht, inwieweit sich eine weitreichende Periodizität auf die lokale Unordnung innerhalb der Einheitszellen auswirkt und unter welchen Bedingungen solch eine Periodizität geeignet ist um ungeordnete Partikelsysteme zu beschreiben. Die numerischen Herausforderungen der vorgestellten Techniken zur optischen Modellierung ungeordneter Partikelsysteme werden erörtert und anschließend anhand zweier praxisrelevanter Fallbeispiele illustriert. Zunächst wird ein Vergleich zwischen planarisierten Extraktionsschichten mit niedrigem und hohen Brechungsindex zur Auskopplung von Licht aus einer organischen Leuchtdiode für unterschiedliche Dichten der Streutextur gezogen. Anschließend werden poröse Polymere in eine Perowskit-Solarzelle integriert um eine diffuse und breitbandige Reflexion zu ermöglichen, wie sie für die Gebäudeintegration von Photovoltaikanlagen wünschenswert sein kann

Self-assembled nanostructures for photon management in optoelectronic devices

Für den Erfolg der Photovoltaik (PV) und der organischen Leuchtdioden (OLED) sind erhebliche Fortschritte bei der Kostensenkung und Effizienzsteigerung erforderlich. Beide Ziele können durch den Einsatz von Nanostrukturen für das Photonenmanagement gleichzeitig erreicht werden. Die grundlegenden Ziele des Photonenmanagements sind die Verringerung der Reflexion des einfallenden Lichts, die Verbesserung der Absorption oder die Verstärkung der Auskopplung sowie die Anpassung der optischen Eigenschaften eines Bauelements für den Einsatz in verschiedenen Arten von Energieumwandlungssystemen. Für eine optimale Effizienz von Solarzellen und OLEDs sollten die Nanostrukturen einen erweiterten Spektral- und Winkelbereich aufweisen. In dieser Hinsicht hat das Photonenmanagement auf der Grundlage ungeordneter Nanostrukturen in vor kurzem große Aufmerksamkeit erregt. Solche photonischen Schichten arbeiten in einem breiteren Spektralbereich als vergleichbare periodische Strukturen und besitzen optische Eigenschaften, die im Gegensatz zu rein zufälligen Strukturen leicht vorhergesag- und eingestellbar sind. In dieser Arbeit wird das Photonenmanagement durch planare, ungeordnete 2D-Nanostrukturen für optoelektronische Dünnschichtbauelemente vorgestellt. Die Nanostrukturen sind so konzipiert, dass sie als antireflektierende oder effizient streuende Strukturen fungieren, deren primäres Ziel es ist, die optische Absorption von Dünnschicht-Solarzellen zu verbessern und ihre Energieumwandlungseffizienz zu erhöhen. Die entwickelte Methodik und die Strukturen haben direkte Auswirkungen auf den Bereich der OLED-Bauelemente. Die entwickelten Strukturen eingesetzt, um die Auskopplungseigenschaften von OLEDs zu verbessern, die einen vergleichbaren spektralen Wirkungsbereich wie Solarzellen besitzen. Voraussetzung für alle experimentellen Untersuchungen ist eine ausgereifte Herstellungsmethode zur Erzeugung von Nanostrukturen mit kontrollierbaren Störungseigenschaften, bei der eine vielseitige, großflächige nasschemische Methode eingesetzt wird, die auf der lateralen Phasentrennung einer Polymermischung beruht. Diese nasschemische Methode wird häufig durch Schleuderbeschichtung durchgeführt, die es nicht erlaubt, phasengetrennte Nanostrukturen (PSN) in beliebige 2D-Designs einzubauen, wie es für ihren Einsatz in kommerziellen Produkten erforderlich ist. Andererseits können additive Fertigungsverfahren wie Tintenstrahldrucker nahezu jede geometrisch komplexe Form im Mikrometer- bis Makromaßstab herstellen. Da die meisten herkömmlichen Tintenstrahldrucker jedoch nur eine Auflösung im Mikromaßstab aufweisen, sind sie für die Entwicklung von nanostrukturierten Materialien und Bauelementen noch nicht geeignet. In dieser Studie werden erstmals beide Mängel behoben und gleichzeitig die kostengünstige Attraktivität und Vielseitigkeit der Phasentrennung durch Homopolymermischungen bewahrt, indem die einzigartigen Vorteile des Tintenstrahldrucks genutzt werden. Unter optimierten Bedingungen werden digital druckbare PSN vom Mikrometer- bis in den Sub-100 nm-Bereich nach einem vorgegebenen 2D-Layout realisiert. Diese PSN können auf verschiedenen starren und flexiblen Substraten mit einer Geschwindigkeit von 45 cm/s hergestellt werden. Der vorgeschlagene Ansatz eröffnet außerdem zahlreiche neue Möglichkeiten für die Nanofabrikation, einschließlich der dynamischen Variation von PSN während des Tintenstrahldrucks, entweder durch Anpassung der Druckauflösung von Pixel zu Pixel für eine bestimmte Tintenformulierung oder durch die Verwendung mehrerer Polymer-Tinten. Darüber hinaus werden PSN in der Regel aus Polymeren mit niedrigen Glasübergangstemperaturen hergestellt, was ihre praktische Bedeutung für die Nanoimprint-Lithografie (NIL) einschränkt, da solche PSN bei hohem Druck und hoher Temperatur zu Verformungen in der Prägeebene neigen. Um dieses Manko zu überwinden, werden in dieser Arbeit die einzigartigen Vorteile eines anorganisch-organischen Hybridpolymers (OrmoStamp) genutzt, welches in der Industrie bereits als Material für Prägestempel in der UV- und thermisch basierten NIL bekannt geworden ist. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal gezeigt, dass Nanostempel auf der Basis von PSN (aus OrmoStamp) direkt auf verschiedenen starren und flexiblen Substraten mit Hilfe eines Phasentrennungsprozesses hergestellt werden können. Dies ermöglicht den direkten Einsatz von PSN in der NIL ohne zusätzliche lithographische oder replikative Zwischenschritte. So können schleuderbeschichtete und gedruckte sowie geprägte PSN das Photonenmanagement in vielfältigen nanophotonischen Anwendungen verbessern, wie hier durch ihren Einsatz in Solarzellen und OLEDs zur Steigerung der Leistungseffizienz demonstriert wird. Für Solarzellen werden zwei verschiedene optische Managementtechniken erforscht. Die erste Methode konzentriert sich auf die Entwicklung von lichtstreuenden Schichten für Solarzellen, entweder durch eine Bottom-up- oder eine Top-down-Strategie. Bei der Bottom-up-Strategie werden PSN in die Rückseite von Solarzellen aus hydrogeniertem amorphem Silizium (a-Si:H) eingebracht, bevor ein Reflektor abgeschieden wird, um lichtstreuende Reflektoren zu realisieren. Diese lichtstreuenden Reflektoren erzielen einen besseren Wirkungsgrad als ein Bauelement, das auf einem kommerziellen lichtstreuenden Substrat basiert. Darüber hinaus werden ergänzende optische Simulationen an einem akkuraten 3D-Modell durchgeführt, um die überlegenen Lichtsammeleigenschaften der entwickelten Streureflektoren zu analysieren und allgemeine Designregeln abzuleiten. In der Top-Down-Strategie werden PSN verwendet, um eine Resist-Ätzmaske zu strukturieren, die für die Übertragung ungeordneter Nanolöcher in eine dünne a-Si:H-Schicht durch Trockenätzung verwendet wird. Die Studie begann mit der Durchführung dreidimensionaler optischer Simulationen, um die Auswirkungen der Unordnung auf die ursprünglich periodischen Anordnungen von Nanostrukturen systematisch zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Simulationen zeigen, dass quasi-ungeordnete Strukturen zu breiteren Spektral- und Winkelantworten führen, was für PV-Anwendungen eindeutig von Vorteil ist. Nach dem Top-Down-Ansatz wird eine Verbesserung der integralen Absorption um bis zu 93% bei normalem Einfall und um bis zu 200% bei großen Einfallswinkeln im Vergleich zu einem ungemusterten Absorber gezeigt.Darüber hinaus kann eine ähnliche Struktur als Nanostempel in einer Top-Down-Strategie dienen, wobei die Perowskit-Schichten durch die Nanostempel unter Verwendung eines thermischen NIL-Systems nanogeprägt werden. Für den nanostrukturierten Perowskitfilm wird eine erhöhte integrierte Absorption und eine gesteigerte Photolumineszenz von 7%$_{rel}$ bzw. 121%$_{rel}$ erzielt. Dieser Weg ebnet den Weg für Rolle-zu-Rolle verarbeitbare "photonisierte" Absorber. Die zweite Methode konzentriert sich auf die Entwicklung von Antireflexionsschichten durch zusätzliche Anpassung des PSN an die Abmessungen unterhalb der Wellenlänge. Das hier betrachtete Design besteht aus einer Frontelektrode, Indium-Zinn-Oxid (ITO), die formschlüssig auf die PSN aufgebracht wird. Im optimalen Fall führen die nanostrukturierten ITO-Elektroden zu einer Erhöhung des Transmissionsgrads um 7%$_{rel}$ im Vergleich zu planaren Referenzstrukturen. Die Antireflexionseigenschaften werden genutzt, um die Photostromdichte von 4-poligen Perowskit/Kristallsilizium (Perowskit/c-Si)-Tandemsolarzellen zu erhöhen. Perowskit/c-Si-Tandem-Zellen mit nanostrukturiertem ITO weisen eine höhere Kurzschlussstromdichte (2,9 mA/cm$^{2}$ absolute Verstärkung) und PCE (1,7% absolute Verstärkung) in der unteren c-Si-Solarzelle im Vergleich zur Referenz auf. Schließlich wird in dieser Arbeit die Bedeutung der genannten Erkenntnisse für das umgekehrte Problem - die Lichtextraktion in OLEDs - aufgezeigt. In der ersten untersuchten Konfiguration nutzt diese Arbeit die leicht abstimmbaren Lichtstreueigenschaften von ungeordneten Titandioxid-Nanosäulen, die aus einer selbstorganisierenden Struktur und einem lösungsmittelbasierten Lift-off-Prozess resultieren. Die anschließende Planarisierung dieser Nanosäulen durch eine dünne Epoxidschicht gewährleistet eine hervorragende Reproduzierbarkeit der Bauelemente - ein Aspekt, der bei nanowelligen Substraten oft kritisch ist - und bewahrt eine starke räumliche Überlappung der eingefangenen optischen Moden mit den lichtstreuenden Strukturen. Zur Veranschaulichung wird gezeigt, dass das vorgeschlagene Design die Effizienz einer von unten emittierenden OLED ($\mathbf{\lambda_{peak}}$=520 nm) um +22%$_{rel}$ und die Winkelemissionscharakteristik im Vergleich zu planaren Bauelementen verbessert. In der zweiten untersuchten Konfiguration werden im Tintenstrahldruckverfahren hergestellte lichtauskoppelnde PSN mit verschiedenen 2D-Designs getestet, wie sie für den Einsatz in gedruckten OLED-Bauelementen vorgesehen sind. Dabei wird ein transparentes Anodenmaterial direkt auf das PSN aufgebracht, was zu einer Strukturierung der Grenzfläche zwischen Anode und organischen Schichten und einer resultierenden Streuung der Wellenleitermoden führt. Eine OLED ($\mathbf{\lambda_{peak}}$=520 nm), die ein gedrucktes PSN enthält, weist bei einer Leuchtdichte von 1000 cd/m$^{2}$ im Vergleich zu einem planaren Referenzelement eine um 57% höhere Effizienz auf. Dieser Ansatz lässt sich in eine Hochdurchsatz-Fertigungsroutine integrieren und kann leicht auf andere OLED-Layouts erweitert werden

High-Throughput Transfer Imprinting for Organic Semiconductors

Development of nanoimprint lithography(NIL) has enabled high-throughput and high-resolution patterning over the optical limitation. In recent years, thermal nanoimprint has been used to directly pattern functional materials such as organic semiconductors because heat and pressure used in thermal nanoimprint do not damage functional materials. However, issues such as residual layer removal and mold contamination still limit the application of nanoimprint for organic semiconductor patterning. In this work, nanoimprint-based transfer imprinting of organic semiconductor is studied. In the same time the suggested technique is simulated with COMSOL multi-physics simulator to understand its mechanism. This transfer printing technique utilize thermal nanoimprint scheme to enable residual-layer-free patterning of organic semiconductors without mold contamination. The transfer imprinting technique is amenable to roll-to-roll process for high-throughput patterning of organic semiconductors for low-cost organic electronic applications

Advances in electronic packaging technologies by ultra-small microvias, super-fine interconnections and low loss polymer dielectrics

The fundamental motivation for this dissertation is to address the widening interconnect gap between integrated circuit (IC) demands and package substrates specifically for high frequency digital-RF systems applications. Moore's law for CMOS ICs predicts that transistor density on ICs will double approximately every 18 months. The current state-of-the-art in IC package substrates is at 20µm lines/spaces and 50-60µm microvia diameter using epoxy dielectrics with loss tangent above 0.01. The research targets are to overcome the barriers of current technologies and demonstrate a set of advanced materials and process technologies capable of 5-10µm lines and spaces, and 10-30µm diameter microvias in a multilayer 3-D wiring substrate using 10-25µm thin film dielectrics with loss tangent in the <0.005. The research elements are organized as follows with a clear focus on understanding and characterization of fundamental materials structure-processing-property relationships and interfaces to achieve the next generation targets. (a) Low CTE Core Substrate, (b) Low Loss Dielectrics with 25µm and smaller microvias, (c) Sub-10µm Width Cu Conductors, and (d) Integration of the various dielectric and conductor processes.Ph.D.Committee Chair: Tummala, Rao; Committee Member: Iyer, Mahadevan; Committee Member: Saxena, Ashok; Committee Member: Swaminathan, Madhavan; Committee Member: Wong, Chingpin

Modeling, Design and Demonstration of 1 µm Wide Low Resistance Panel Redistribution Layer Technology for High Performance Computing Applications

Since 2010, heterogeneous integration (HI) of multiple integrated circuits (ICs) on to a package substrate has become one of the most popular solutions to improve system performance and miniaturization. This HI has emerged to continue Moore’s Law scaling to support high performance computing (HPC) applications such as artificial intelligence, autonomous driving, 5G, cloud computing and wearable devices. Package substrate technology has only just begun to become a huge enabler to system scaling, beyond Moore’s Law, in terms of overall miniaturization, high bandwidth performance and high density of interconnections between heterogeneous dies to enable more operations per second. Redistribution layer (RDL) technology is the main component to interconnecting these ICs on a single package to scale beyond Moore’s Law. Examining RDL technology further it is observed that only back-end-of-line (BEOL) RDL fabricated on silicon can provide the interconnections needed for a high-performance system. However, this technology has reached a fundamental limitation due to the high resistance and capacitance of BEOL RDL that limits the further scaling of system performance. The objectives of this research are to address the scaling limitations of multi-layer polymer RDL down to 1µm and beyond. This research focuses on addressing these challenges by: (A) Electrical Design and Modeling of multi-layer polymer RDL for 4x lower resistance and 4x higher bandwidth than silicon BEOL RDL, (B) Design and demonstration of novel photoresist materials for scaling of polymer RDL well below 1µm using low-cost large panel-based tools and processes, (C) Fundamental evaluation of current substrate integration impacts on the novel photoresist material developed for scaling of polymer RDL, (D) Scaling of the semi-additive process (SAP) that is utilized in the panel-based RDL through fundamental material and process innovations.Ph.D