DE102012217957B4 - Verfahren zur Herstellung einer Mikro-LED-Matrix - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Mikro-LED-Matrix folgende Verfahrensschritte umfassend:
A Abscheiden einer LED-Schichtstruktur auf ein Arbeitssubstrat (5);
B Vereinzeln einer Mehrzahl von LED-Strukturen (6) aus der LED-Schichtstruktur auf dem Arbeitssubstrat (5);
C Aufbringen einer ersten Kontaktierungsstruktur (4) auf ein Trägersubstrat (1);
D Transfer der Mehrzahl von LED-Strukturen (6) von dem Arbeitssubstrat (5) auf das Trägersubstrat (1) mittels Bonding und Laser-Lift-Off;
wobei ein zumindest zweischichtiges Trägersubstrat (1) verwendet wird, umfassend eine Trägerschicht (2) und eine erste flexible Polymerschicht (3),
wobei in Verfahrensschritt C die erste Kontaktierungsstruktur (4) mittelbar oder unmittelbar auf eine der Trägerschicht (2) abgewandte Seite der ersten Polymerschicht (3) aufgebracht wird und
wobei in einem zusätzlichen Verfahrensschritt D-0 zwischen den Verfahrensschritten C und D eine zweite flexible Polymerschicht (13) zumindest zwischen den vereinzelten LED-Strukturen (6) ausgebildet wird, um diese einzubetten.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Mikro-LED-Matrix gemäß Anspruch 1.
  • Zur Herstellung von Mikro-LED-Matrizen ist es bekannt, LED-Strukturen auf einem ersten Substrat herzustellen und diese anschließend mittels eines Bond- und Laser-Lift-off-Prozesses auf ein zweites Substrat zu transferieren.
  • Beispielsweise ist in J. Day et al., Full-Scale Self-Emissive Blue and Green Microdisplays Based on GaN Micro-LED Array, Proc. SPIE 8268, 82681 (2009), ein Verfahren beschrieben, bei dem GaN-basierte Matrizen aus Mikro-LEDs auf festen Substraten hergestellt und mittels eines Bond-Prozesses gefertigt werden. Die einzelnen Mikro-LEDs sind mit CMOS-Schaltungen zur individuellen Ansteuerung versehen.
  • Nachteilig an den Verfahren nach dem Stand der Technik ist, dass die Bauteile auf Basis der erzeugten Mikro-LED-Matrizen nicht flexibel sind und laterale Abmessungen und Dicken größer als 100 μm aufweisen. Diese starren Bauteile können zwar im Bereich der Biophysik eingesetzt werden, auf Grund ihrer Abmessungen und ihrer Inflexibilität sind die Einsatzmöglichkeiten jedoch stark eingeschränkt.
  • Weitere Verfahren zur Herstellung von Mikro-LED-Matrizen sind aus der WO 2010/132 552 A1 , der US 2011/0 215 365 A1 sowie aus KOO, M. [et al.]: Biointegrated flexible inorganic light emitting diodes. In: Nanobiosensors in Disease Diagnosis, 2012, 1, S.5–15, bekannt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Mikro-LED-Matrizen bereitzustellen, welches es ermöglicht, in eine flexible Schicht eingebettete Mikro-LED-Matrizen herzustellen, die gleichzeitig biokompatibel und damit im menschlichen Organismus einsetzbar sind und möglichst geringe Abmessungen aufweisen.
  • Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 7.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Mikro-LED-Matrix umfasst folgende Verfahrensschritte:
    In einem Verfahrensschritt A wird eine LED-Schichtstruktur auf ein Arbeitssubstrat abgeschieden.
  • In einem Verfahrensschritt B wird aus der LED-Schichtstruktur auf dem Arbeitssubstrat eine Mehrzahl von LED-Strukturen vereinzelt.
  • In einem Verfahrensschritt C wird eine erste Kontaktierungsstruktur auf ein Trägersubstrat aufgebracht.
  • In einem Verfahrensschritt D wird die Mehrzahl von LED-Strukturen mittels eines Bond- und Laser-Lift-off-Prozesses von dem Arbeitssubstrat auf das Trägersubstrat transferiert.
  • Wesentlich ist, dass ein zumindest zweischichtiges Trägersubstrat verwendet wird, welches Trägersubstrat, eine Trägerschicht und eine erste flexible Polymerschicht umfasst, wobei in Verfahrensschritt C die erste Kontaktierungsstruktur mittelbar oder bevorzugt unmittelbar auf die der Trägerschicht abgewandte Seite der ersten Polymerschicht aufgebracht wird. Weiterhin wesentlich ist, dass in einem zusätzlichen Verfahrensschritt D-0 zwischen den Verfahrensschritten C und D eine zweite flexible Polymerschicht zumindest zwischen den vereinzelten LED-Strukturen ausgebildet wird, um diese einzubetten.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis des Anmelders zugrunde, dass durch die Verwendung eines Trägersubstrats, welches eine flexible Polymerschicht umfasst und das Ausbilden einer zweiten flexiblen Polymerschicht zwischen den vereinzelten LED-Strukturen, die vereinzelten LED-Strukturen in eine flexible Umgebung eingebettet werden können. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass einzelne Elemente der LED-Strukturen, insbesondere metallische Kontaktstrukturen, nach dem Einbetten ausgebildet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit erstmals eine praktikable Möglichkeit, Mikro-LED-Matrizen, insbesondere GaN-basierte Mikro-LED-Matrizen auf einem flexiblen Substrat herzustellen. Im Vergleich zu vorbekannten Mikro-LED-Matrizen, welche bisher nur auf festen Substraten hergestellt werden konnten, sind die Mikro-LED-Matrizen auf einem flexiblen Substrat für den Einsatz im menschlichen Organismus geeignet. Weiterhin können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Mikro-LED-Matrizen auf einem flexiblen Substrat hergestellt werden, deren LED-Strukturen einzeln ansteuerbar sind. Im Gegensatz zu vorbekannten Verfahren, die bereits prozessierte LEDs mit einer flexiblen Matrix kombinieren, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch den Transfer der Mehrzahl von LED-Strukturen mittels Bond- und Laser-Lift-off-Prozess sehr viel kleinere, dünnere und flexiblere Mikro-LED-Matrizen erzeugt werden.
  • Durch das Einbetten der LED-Strukturen in die zweite flexible Polymerschicht ergibt sich ein weiterer Vorteil: Die Halbleiterschichten der LED-Strukturen weisen typischerweise horizontal einen Überstand gegenüber der ersten Kontaktierungsstruktur auf. Dieser Bereich ist aufgrund des spröden Halbleitermaterials während des Laser-Lift-off-Prozess sehr sensibel und bruchanfällig. Hier besteht die Gefahr, dass bei Krafteinwirkung die LED-Struktur bricht. Durch das Ausbilden der zweiten flexiblen Polymerschicht in den lokalen Bereichen zwischen den LED-Strukturen wird somit zwischen Trägersubstrat und Arbeitssubstrat flexibles Material eingebracht; Es erfolgt also ein sogenannter Underfill-Prozess. Durch den Underfill-Prozess wird der Überstand in die zweite flexible Polymerschicht eingebettet. Somit wird der Überstand gestützt und erhält die nötige Stabilität insbesondere für den Laser-Lift-off-Prozess, ohne die Flexibilität des Bauteils einzuschränken.
  • In einer vorzugsweisen Ausführungsform wird in einem zusätzlichen Verfahrensschritt E nach dem Verfahrensschritt D eine dritte flexible Polymerschicht auf die zweite Polymerschicht und die eingebetteten LED-Strukturen aufgebracht. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die dritte Polymerschicht eine elektrische Isolation entsteht, die ebenfalls flexibel ist.
  • Vorteilhafterweise wird in einem zusätzlichen Verfahrensschritt E-0 vor dem Verfahrensschritt E zumindest auf die eingebetteten LED-Strukturen eine zweite Kontaktierungsstruktur, vorzugsweise eine metallische zweite Kontaktierungsstruktur aufgebracht. Hierdurch ist eine einfache Kontaktierung der LED-Strukturen durch die auf gegenüberliegenden Seiten angeordnete erste und zweite Kontaktierungsstruktur möglich. Insbesondere ist hier eine lithografische Ausbildung der zweiten Kontaktierungsstruktur vorteilhaft.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden in lokalen Bereichen der dritten Polymerschicht Kontaktgräben zu der zweiten Kontaktierungsstruktur, die in dem Verfahrensschritt E-0 aufgebracht wurde, geöffnet. Vorteilhafterweise erfolgt dies durch Trockenätzen mittels lithografisch strukturierter Lackmasken. Zusätzlich werden in lokalen Bereichen, die nicht mit den Bereichen der vereinzelten LED-Strukturen und nicht mit den Bereichen der Kontaktgräben zu der zweiten Kontaktierungsstruktur zusammenfallen, Kontaktgräben zu der ersten Kontaktierungsstruktur auf einer dem Trägersubstrat zugewandten Seite der LED-Struktur geöffnet. Die Kontaktgräben zu der ersten Kontaktierungsstruktur durchgreifen zusätzlich zu der dritten flexiblen Polymerschicht ebenso die zweite flexible Polymerschicht. Hierdurch ist eine einfache elektrische Kontaktierung der ersten und zweiten Kontaktierungsstruktur durch den jeweiligen Kontaktgraben möglich.
  • Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass die Kontaktierung der ersten und der zweiten Kontaktierungsstruktur auf der gleichen Seite der LED-Struktur, insbesondere auf der dem Trägersubstrat zugewandten Seite der LED-Struktur erfolgt.
  • In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird die Mehrzahl von LED-Strukturen im Verfahrensschritt B mittels Laserablation und/oder mittels eines trockenchemischen Ätzverfahrens vereinzelt. Der Prozess der Laserablation erfolgt vorzugsweise gemäß R. Moser et al, „Laser processing of GaN-based LEDs with ultraviolet picosecond laser pulses”, Proc. of SPIE, 8433, 84330Q1 2012. Ein trockenchemisches Ätzverfahren ist zum Beispiel in Choi et al, ”Fabrication of matrix-addressable micro-LED arrays based on a novel etch technique”, Journal of Crystal Growth 268, 527 2004. Hierdurch werden zumindest die elektrisch aktiven Halbleiterschichten der LED-Schichtstruktur zwischen den LED-Strukturen entfernt. Es entstehen also in Verfahrensschritt B räumliche Lücken zwischen den vereinzelten LED-Strukturen. Diese Bereiche sind derart ausgestaltet, dass zwischen den vereinzelten LED-Strukturen zumindest keine mechanische und/oder elektronische Verbindung mehr durch das Halbleitermaterial besteht. In dieser vorteilhaften Ausführungsform erfolgt somit in Verfahrensschritt B ein zumindest teilweises Entfernen der LED-Schichtstruktur zwischen den LED-Strukturen, so dass zusätzlich zu der elektrischen Vereinzelung eine mechanische Entkopplung zumindest hinsichtlich der Halbleiterschichten erzielt wird.
  • Vorteilhafterweise erfolgt die Durchtrennung des Halbleitermaterials bis auf die Ebene des Arbeitssubstrates; die LED-Strukturen sind bis zur Durchführung des Verfahrensschrittes D-0 somit lediglich über das Arbeitssubstrat und ggf. Kontaktierungsstrukturen miteinander verbunden. Vorteilhaft ist hier, dass durch die Vereinzelung der LED-Strukturen die Flexibilität des Bauteils erhöht wird, da zwischen den LED-Strukturen nach Durchführen von Verfahrensschritt B keine starre mechanische Verbindung mehr besteht: Das brüchige Halbleitermaterial wird in allen Bereichen mit Ausnahme der LED-Strukturen entfernt, so dass in der fertiggestellten Mikro-LED-Matrix die einzelnen LED-Strukturen in den flexiblen Polymerschichten beweglich zueinander eingebettet sind.
  • In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird die zweite Polymerschicht im Verfahrensschritt D-0 mittels Beaufschlagung mit Unterdruck in den Bereich zwischen die vereinzelten LED-Strukturen eingebracht. Dies bedeutet im Rahmen dieser Beschreibung, dass das verwendete Polymer mit Unterdruck in den Bereich zwischen die vereinzelten LED-Strukturen eingesaugt wird. Vorzugsweise ist dieser Bereich durch die vereinzelten LED-Strukturen, die erste Polymerschicht, die Kontaktierungsstruktur und das Arbeitssubstrat begrenzt. Es erfolgt also der oben genannte Underfill-Prozess. Die vereinzelten LED-Strukturen werden durch die zweite Polymerschicht stabilisiert, die Flexibilität der Mikro-LED-Matrix bleibt jedoch erhalten. Vorzugsweise erfolgt dieser Underfill-Prozess derart, dass das Trägersubstrat und das Arbeitssubstrat während dieses Verfahrensschritts so angeordnet sind, dass die vereinzelten LED-Strukturen auf dem Arbeitssubstrat mit einer entsprechenden Kontaktierungsstruktur auf dem Trägersubstrat verbunden sind. Diese Prozessierung wird justiertes Waferbonden genannt. Vorteilhaft ist hier, dass in einfacher Weise durch das Auffüllen der Bereiche zwischen den vereinzelten LED-Strukturen mit einem flexiblen Polymer die nötige Stabilität bei gleichzeitiger Erhaltung der Flexibilität des Bauteils erreicht wird.
  • In einer vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt der Laser-Lift-off-Prozess in Verfahrensschritt D in zumindest zwei Teilschrittten: Zunächst erfolgt die Beaufschlagung mit Laserstrahlung lediglich in den lokalen Bereichen der LED-Strukturen. Die Beaufschlagung mit Laserstrahlung erfolgt hierbei bevorzugt von der Seite des Arbeitssubstrats durch das Arbeitssubstrats hindurch. In diesem ersten Teilschritt werden die LED-Strukturen von Arbeitssubstrat zumindest teilweise gelöst.
  • In einem zweiten Teilschritt wird ganzflächig die an das Arbeitssubstrat angrenzende Oberfläche der LED-Strukturen und der zweiten flexiblen Polymerschicht mit Laserstrahlung beaufschlagt und dadurch vom Arbeitssubstrat gelöst. Vorzugsweise erfolgt die zweite, ganzflächige Beaufschlagung mit Laserstrahlung mit einer geringeren Intensität, vorzugsweise etwa der Hälfte der Intensität der ersten Beaufschlagung in den lokalen Bereichen. Die zweistufige Ausgestaltung der Beaufschlagung mit Laserstrahlung mit zwei verschiedenen Intensitätsstufen ermöglicht es, das Arbeitssubstrat von der Oberfläche der LED-Strukturen und der zweiten flexiblen Polymerschicht zu trennen, ohne die Polymerschicht zu beschädigen. Bei einer ganzflächigen Beaufschlagung mit Laserlicht der höheren Intensitätsstufe könnte die zweite flexible Polymerschicht beschädigt werden. Durch diesen zweistufigen Prozess, der in einer ganzflächigen Beaufschlagung mit Laserstrahlung der an das Arbeitssubstrat angrenzenden Oberfläche resultiert, wird anhaftendes Material der zweiten flexiblen Polymerschicht und die LED-Strukturen vollständig vom Arbeitssubstrat gelöst, was die Qualität des Laser-Lift-off-Prozesses verbessert.
  • Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte LED-Schichtstruktur kann in an sich bekannter Weise als Mikro-LED-Schichtstruktur ausgebildet sein und wird vorzugsweise zumindest eine p-dotierte Schicht und eine n-dotierte Schicht umfassend ausgebildet. Die p-dotierte Schicht und die n-dotierte Schicht werden mittelbar oder bevorzugt unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet. Die p-dotierte und die n-dotierte Schicht werden bevorzugt als dotierte GaN-Schichten ausgebildet. Ebenso liegt die Verwendung weiterer Halbleitermaterialien zur Ausbildung der LED-Schichtstruktur im Rahmen der Erfindung, insbesondere Indium-Gallium-Aluminium-Phosphid (InGaAlP), welches bevorzugt für LEDs im orange-roten Spektralbereich verwendet wird.
  • In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt das justierte Waferbonden, d. h. das Verbinden der vereinzelten LED-Strukturen auf dem Arbeitssubstrat mit der ersten Kontaktierungsstruktur auf dem Trägersubstrat, mittels Flüssigphasen-Diffusionsbonden, vorzugsweise mittels Verwendung von Indiumbondmetallen und/oder eutektischen Goldzinnbondmetallen.
  • In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird für mindestens eine Polymerschicht ein flexibles biokompatibles Polymer, vorzugsweise Polyimid verwendet. Hierdurch ist ein Einsatz im menschlichen Organismus möglich. Insbesondere ist es vorteilhaft, die äußeren Schichten der Mikro-LED-Matrix aus einem biokompatiblen Polymer, insbesondere Polyimid auszubilden; In der vorzugsweisen Ausgestaltung mit drei Polymerschichten sind somit bevorzugt zumindest die erste und dritte flexible Polymerschicht aus biokompatiblem Polymer, insbesondere Polyimid ausgebildet. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, zur Erhöhung der Sicherheit sämtliche flexible Polymerschichten aus biokompatiblem Polymer, insbesondere Polyimid, auszubilden.
  • „Flexibel” bedeutet im Rahmen dieser Beschreibung, dass sich der Elastizitätsmodul des flexiblen Polymers und des Materials für das Arbeits- und/oder Trägersubstrat um mehrere Größenordnungen, bevorzugt um mindestens zwei, weiter bevorzugt mindestens vier Größenordnungen, insbesondere um einen Faktor im Bereich 10 bis 100, bevorzugt 15 bis 60, unterscheiden.
  • Vorzugsweise liegt der Elastizitätsmodul des flexiblen Polymers im Bereich 5000 MPa bis 10000 MPa, insbesondere 7000 MPa bis 9000 MPa, vorzugsweise etwa 8830 MPa.
  • Vorteilhafterweise ist das Polymer zumindest der ersten Polymerschicht derart gewählt, dass möglichst hohe Bearbeitungstemperaturen zulässig sind, vorzugsweise zwischen bis zu einer Temperatur von 200°C insbesondere bevorzugt bis zu einer Temperatur von 350°C. Dieser Temperaturbereich ist vorteilhaft, damit das Polymer dem Prozess des justierten Waferbondens standhält. Beispielsweise erfüllen die Polymere Bisbenzocyclobuten (BCB), Polyimid oder Polymethylmethacrylat (PMMA) die vorgenannte Bedingung hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit.
  • Vorteilhafterweise ist der Prozess des justierten Waferbondens derart ausgebildet, dass eine Erwärmung der ersten Polymerschicht nicht über 400°C, bevorzugt nicht über 200°C erfolgt. Grundsätzlich können an sich bekannte Bond-Prozesse angewendet werden. Vorteilhafterweise wird der Bond-Prozess bei einer minimal möglichen Temperatur durchgeführt.
  • In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird die Trägerschicht des zumindest zweischichtigen Trägersubstrats in einem Verfahrensschritt F mittels eines Peel-off-Prozesses entfernt. Dadurch entfällt die starre Schicht, so dass die Mikro-LED-Matrix keine lateral durchgängigen Bereiche mit hoher Steifigkeit mehr aufweist. Die Mikro-LED-Matrix enthält also nur noch flexible Substratschichten.
  • Im Folgenden wird eine Mikro-LED-Matrix beschreiben, welche mittels des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. bevorzugt einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt zur Ausbildung einer derartigen Mikro-LED-Matrix bzw. einer Ausführungsform hiervon ausgebildet.
  • Die Mikro-LED-Matrix umfasst eine erste Kontaktierungsstruktur und zumindest zwei LED-Strukturen, welche LED-Strukturen in einer gemeinsamen horizontalen Ebene angeordnet sind. Wesentlich ist, dass die Mikro-LED-Matrix eine erste flexible Polymerschicht umfasst, auf welcher Polymerschicht mittelbar oder unmittelbar die LED-Strukturen angeordnet sind. Die erste Kontaktierungsstruktur ist hierbei mittelbar oder unmittelbar auf der den LED-Strukturen zugewandten Seite der ersten Polymerschicht aufgebracht. Weiterhin wesentlich ist, dass zumindest der Bereich zwischen den LED-Strukturen mit einer zweiten flexiblen Polymerschicht ausgefüllt ist. Hierdurch ergeben sich die vorgenannten Vorteile hinsichtlich der Flexibilität der Matrix.
  • In einer vorzugsweisen Ausführungsform ist an der der LED-Struktur abgewandten Seite der ersten flexiblen Polymerschicht eine starre Trägerschicht mittelbar oder bevorzugt unmittelbar angeordnet. Das Trägersubstrat ist in dieser vorteilhaften Ausführungsform somit zumindest zweischichtig ausgebildet und umfasst die starre Trägerschicht, welche vorzugsweise aus Silizium ausgebildet ist, und die erste flexible Polymerschicht. Funktional ist somit die erste flexible Polymerschicht Bestandteil der Mikro-LED-Matrix. Die starre Trägerschicht dient insbesondere zur Herstellung und/oder zum Transport einer oder mehrere auf der Trägerschicht nebeneinanderliegend angeordneter Mikro-LED-Matrizen mit gemeinsamer Trägerschicht. Der Benutzer kann eine Mikro-LED-Matrix zur Anwendung durch einfaches Abziehen von der Trägerschicht entfernen.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung bedeutet „starr”, dass die Steifigkeit der Trägerschicht groß gegenüber der Steifigkeit der ersten flexiblen Polymerschicht ist. Vorzugsweise ist der Elastizitätsmodul der Trägerschicht um mindestens 5 weiter bevorzugt mindestens 10, insbesondere um einen Faktor im Bereich 15 bis 60 kleiner als der Elastizitätsmodul der ersten flexiblen Polymerschicht.
  • Eine weitere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbare Mikro-LED-Matrix umfasst ein Lumineszenzkonversionselement, insbesondere ein in einem Wellenlängenbereich größer als 530 nm aktives Lumineszenzkonversionselement. Vorteilhaft ist hier, dass durch die Verwendung des Lumineszenzkonversionselements der Wellenlängenbereich, in dem die Mikro-LED-Matrix emittiert, in den Bereich größerer Wellenlängen verschoben werden kann.
  • In einer weiteren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Mikro-LED-Matrix sind die einzelnen LED-Strukturen der Mikro-LED-Matrix individuell ansteuerbar. Bevorzugt erfolgt die Verschaltung derart, dass die LED-Strukturen mit einer Anzahl von elektrisch zueinander isolierten Leitungen verbunden sind, wobei jede Leitung mehrere LED-Strukturen elektrisch kontaktiert und eine Kombination aus zwei Leitungen genau eine LED kontaktiert, bevorzugt jede Kombination aus zwei Leitungen genau eine LED kontaktiert. Insbesondere bevorzugt erfolgt die Verschaltung der LED-Strukturen für die Verschaltung der p-Kontakte nach einem ersten Schema und die Verschaltung der n-Kontakte nach einem zweiten, zu dem ersten verschiedenen Schema.
  • Vorteilhafterweise erfolgt die Verschaltung der p-Kontakte nach dem ersten Schema derart, dass eine Anzahl k an p-Zuleitungen vorhanden ist. Die LED-Strukturen sind in k paarweise disjunkte p-Untergruppen aufgeteilt und jede Zuleitung kontaktiert alle p-Kontakte der dieser Zuleitung zugeordneten p-Untergruppe.
  • Vorteilhafterweise erfolgt weiterhin die Verschaltung der n-Kontakte nach dem zweiten Schema derart, dass eine Anzahl m an n-Zuleitungen vorhanden ist. Die LED-Strukturen sind in m paarweise disjunkte n-Untergruppen aufgeteilt und jede n-Zuleitung kontaktiert alle n-Kontakte der dieser n-Zuleitung zugeordneten n-Untergruppe.
  • Vorzugsweise enthält jede n-Untergruppe maximal, bevorzugt genau k LED-Strukturen. Ebenso enthält jede p-Untergruppe maximal, bevorzugt genau m LED-Strukturen.
  • Wesentlich bei dieser vorteilhaften Verschaltung ist, dass jedes beliebige Paar einer n- und einer p-Untergruppe maximal eine, vorzugsweise genau eine gemeinsame LED-Struktur aufweist. Hierdurch kann eine beliebige LED-Struktur separat angesteuert werden, indem die n- und die p-Leitung derjenigen Untergruppen, die diese LED-Struktur beinhalten, elektrisch angesteuert werden. Bei dieser vorteilhaften Verschaltung kann somit ohne Verwendung einer CMOS-Struktur lediglich durch Wahl des geeigneten Paares von n- und p-Leitung eine beliebige LED-Struktur angesteuert werden.
  • Durch diese Art der Kontaktierung ist es möglich, mit einer Anzahl von x p- oder n-Zuleitungen insgesamt x2/2 LED-Strukturen individuell anzusteuern.
  • In einer weiteren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Mikro-LED-Matrix erfolgt die Kontaktierung der LED-Strukturen sowohl vorder- als auch rückseitig, insbesondere bevorzugt derart, dass bei Benutzung jede LED-Struktur einen im Wesentlichen vertikalen Stromfluss aufweist. Vorteilhaft ist hier, dass durch den vertikalen Stromfluss vermieden wird, dass die im Vergleich zu den vertikalen Abmessungen relativ großen horizontalen Abmessungen zu einem hohen horizontalen Serienwiderstand führen. Die geringen vertikalen Abmessungen der LED-Struktur führen hingegen nur zu einem niedrigeren vertikalen Serienwiderstand.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung bedeutet „vorder- und rückseitig kontaktiert”, dass der p- und der n-Kontakt auf einander gegenüberliegenden Seiten der elektrisch aktiven Schichtstruktur liegen.
  • Des Weiteren ist es möglich, mehrere verschiedene Lagen von n-seitigem Kontaktmetall übereinander zu prozessieren, jeweils getrennt durch eine isolierende Schicht, wie z. B. Bisbenzocyclobuten (BCB) oder Polyimid. Dadurch können insbesondere die lateralen Ausmaße des Bauteils reduziert werden, welche im Wesentlichen durch die Anzahl der nebeneinanderliegenden Metallstreifen begrenzt sind
  • In einer weiteren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Mikro-LED-Matrix weist die Mikro-LED-Matrix eine Gesamtdicke kleiner als 20 μm auf. Insbesondere bevorzugt wird diese Gesamtdicke durch den Einsatz der ersten, zweiten und dritten flexiblen Polymerschicht erreicht, wobei die flexiblen Polymerschichten jeweils eine Dicke von ungefähr 5 μm aufweisen. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, die alleine durch die Verwendung starrer Substrate, wie zum Beispiel Saphir mit einer Dicke von mindestens 100 μm, sehr viel größere Gesamtdicken aufweisen, können hier also Mikro-LED-Matrizen hergestellt werden, deren Gesamtdicke in einer signifikant geringeren Größenordnung liegt. Dadurch sind vor allem die Einsatzmöglichkeiten in biophysikalischen Anwendungen, insbesondere implantativen Anwendungen, bevorzugt im menschlichen Organismus verbessert.
  • In einer weiteren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Mikro-LED-Matrix umfasst die Mikro-LED-Matrix zusätzlich Elektroden zur elektrischen Stimulierung von biologischem Gewebe und/oder zur Messung elektrischer Potentiale. Hierdurch kann die optische Stimulation mit elektrischer Stimulation in einem Bauteil kombiniert werden.
  • In einer weiteren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Mikro-LED-Matrix ist die Mikro-LED-Matrix zur Stimulation genetisch lichtsensitivierter Nervenzellen und/oder zur Aktivierung von Farbstoffen und/oder Proteinen ausgebildet. Hierdurch ist die lokale Anregung mit kurzwelligem Licht, insbesondere in der Medizintechnik und Biotechnologie möglich.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft die Verwendung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Mikro-LED-Matrix zur optischen und/oder elektrischen Stimulation von Nervenzellen, insbesondere für den Einsatz von Cochlea-Implantaten. Hierdurch kann der Vorteil der optischen Anregung mit dem Vorteil der flexiblen Ausgestaltung der Mikro-LED-Matrix kombiniert werden.
  • Die Mikro-LED-Matrix kann eine Vielzahl von als Mikro-LED ausgebildeten LED-Strukturen umfassen. Für Anwendungen in der Medizin und Biotechnologie ist es vorteilhaft, wenn die LED-Strukturen der Mikro-LED-Matrix in einer Reihe angeordnet sind.
  • Das Abscheiden der LED-Struktur auf das Arbeitssubstrat kann in an sich bekannter Weise erfolgen, insbesondere mittels metall-organischer Gasphasenepitaxie (MOVPE), siehe H. Amano et al, „Metalorganic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer”, Appl. Phys. Lett. 48, 3 (1986), oder weniger verbreitet mittels Molekularstrahlepitaxie, siehe Grandjean et al, „Group-III nitride quantum heterostructures grown by molecular beam epitaxy”, J. Phys.: Condens. Matter 13, 6945 (2001).
  • Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigen die 1 bis 4 schematische Teilschnittbilder eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Mikro-LED-Matrix:
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Trägersubstrats mit einer aufgebrachten ersten Kontaktierungsstruktur;
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Arbeitssubstrats nach einem Vereinzeln von LED-Strukturen;
  • 2a zeigt eine schematische Darstellung des Trägersubstrats mit angelegtem Arbeitssubstrats nach einem justierten Waferbonden;
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels nach Transfer der LED-Strukturen auf das Trägersubstrat;
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels nach Abziehen von einer Trägerschicht des Trägersubstrates.
  • 5a und 5b zeigen schematische Darstellungen von Kontaktierungsschemata der p- und n-Kontakte des Ausführungsbeispiels einer Mikro-LED-Matrix.
  • 1 zeigt das Trägersubstrat 1 mit der ersten Kontaktierungsstruktur 4. Das Trägersubstrat 1 besteht aus der Trägerschicht 2 und einer ersten flexiblen Polymerschicht 3. Die Trägerschicht 2 ist eine Siliziumschicht, welche durch ihre hohe Steifigkeit eine einfache Prozessierung der Mikro-LED-Matrix ermöglicht. Auf die Trägerschicht 2 aufgebracht ist die erste flexible Polymerschicht 3. Diese besteht aus einem flexiblen biokompatiblen Polymer mit einem Elastizitätsmodul von etwa 8830 MPa, beispielsweise Polyimid. Die Dicke der ersten flexiblen Polymerschicht 3 beträgt ungefähr 5 μm.
  • 2 zeigt das Arbeitssubstrat 5 mit einer vereinzelten LED-Struktur 6 und einer mehrschichtigen Kontaktierung 9. Das Arbeitssubstrat 5 besteht beispielsweise aus Saphir und weist eine hohe Steifigkeit auf. Die Abmessungen der vereinzelten LED-Schichtstruktur 6 betragen horizontal beispielsweise zwischen 10 und 100 μm und vertikal etwa 5 μm.
  • Die LED-Struktur 6 umfasst eine n-dotierte GaN-Schicht 7 und eine p-dotierte GaN-Schicht 8. Auf die p-GaN-Schicht 8 ist die mehrschichtige Kontaktierung 9 aufgebracht. Zusätzlich ist in 2 eine seitliche Passivierungsschicht 10a und 10b dargestellt. Die Passivierungsschichten 10a und 10b sind als Siliziumnitrid- oder Siliziumoxidschichten ausgebildet, im vorliegenden Beispiel dargestellt in 1 als Siliziumnitridschicht, und werden mittels eines PECVD-Verfahrens (plasma enhanced chemical vapour deposition) oder Sputter-Verfahrens aufgebracht. Durch das Aufbringen der Passivierungsschichten 10a und 10b werden die einzelnen LED-Strukturen 6 elektrisch passiviert und es werden Leckströme und Kurzschlüsse vermieden.
  • 2 zeigt somit den Herstellungsprozess nach Abschluss eines Verfahrensschrittes A, in welchem eine LED-Schichtstruktur auf das Arbeitssubstrat abgeschieden wird und eines Verfahrensschrittes B, in welchem aus der LED-Schichtstruktur eine Mehrzahl von LED-Strukturen (in 2 ist nur eine LED-Struktur dargestellt) vereinzelt werden, beispielsweise mittels Laserablation. Zusätzlich wurde anschließend die seitliche Passivierungsschicht aufgebracht.
  • 1 zeigt entsprechend den Herstellungsprozess nach Abschluss eines Verfahrensschrittes C, in welchem die erste Kontaktierungsstruktur auf das Trägersubstrat, vorliegend auf die erste Polymerschicht des Trägersubstrates, aufgebracht wird.
  • Das Trägersubstrat 1 und das Arbeitssubstrat 5 werden bei einem justierten Waferbonden derart aneinander gelegt, dass sich die LED-Struktur 6 auf der dem Trägersubstrat 1 zugewandten Seite des Arbeitssubstrats 5 und die erste flexible Polymerschicht 3 auf der dem Arbeitssubstrat 5 zugewandten Seite des Trägersubstrats 1 befindet. Die erste Kontaktierungsstruktur 4 und der Kontakt 9 stehen lokal miteinander in Kontakt. Die Trägerschicht 2 befindet sich somit auf der der LED-Struktur 6 abgewandten Seite der ersten flexiblen Polymerschicht 3. Dieser Zustand ist in 2a dargestellt.
  • Im Anschluss an das justierte Waferbonden wird in einem Verfahrensschritt D-0 die zweite Polymerschicht 13 mit Unterdruck in den Bereich 22 zwischen die vereinzelten LED-Strukturen eingesaugt. Die vereinzelten LED-Strukturen 6 werden dadurch mittels der zweiten Polymerschicht 13 stabilisiert, die Flexibilität der Mikro-LED-Matrix bleibt jedoch erhalten. Dadurch stützt die zweite flexible Polymerschicht 13 insbesondere einen Überstand 14, welchen die n-dotierte GaN-Schicht 7 und die p-dotierte GaN-Schicht 8 gegenüber der ersten Kontaktierungsstruktur 4 und dem Trägersubstrat 1 aufweisen. 2a zeigt entsprechend den Zustand vor dem Verfahrensschritt D-0.
  • In einem Verfahrensschritt D erfolgt der Laser-Lift-off-Prozess in zwei Teilschritten: Zunächst erfolgt die erste Beaufschlagung mit Laserstrahlung 24 lediglich an Grenzflächen 23 zwischen dem Arbeitssubstrat und den LED-Strukturen 6. Die erste Beaufschlagung mit Laserstrahlung 24 erfolgt hierbei von der Seite des Arbeitssubstrats 5 durch das Arbeitssubstrat 5 hindurch. In diesem ersten Teilschritt werden die LED-Strukturen 6 vom Arbeitssubstrat 5 zumindest teilweise gelöst.
  • In einem zweiten Teilschritt im Verfahrensschritt D wird ganzflächig die an das Arbeitssubstrat 5 angrenzende Fläche 26 der LED-Strukturen 6 und der zweiten flexiblen Polymerschicht 13 mit einer zweiten Laserstrahlung 25 beaufschlagt und dadurch vom Arbeitssubstrat 5 gelöst. Die zweite, ganzflächige Beaufschlagung mit Laserstrahlung 25 erfolgt mit der Hälfte der Leistung der ersten Beaufschlagung 24. Im Anschluss an die zweite Beaufschlagung mit Laserstrahlung 25 wird das Arbeitssubstrat 5 entfernt.
  • In einem zusätzlichen Verfahrensschritt E-0 vor dem Verfahrensschritt E wird im Anschluss an den Laser-Lift-Off-Prozess auf die eingebetteten LED-Strukturen 6 eine zweite Kontaktierungsstruktur 15 zur Verschaltung der LED-Strukturen 6 aufgebracht. Die zweite Kontaktierungsstruktur 15 ist als metallische Kontaktierungsstruktur mittels eines lithografischen Verfahrens ausgebildet. Dies kann dadurch erfolgen, dass Maskierungsschichten mittels Lithographie strukturiert und diese mittels eines Ätzprozesses oder mit Hilfe eines Lift-off Prozesses in eine zuvor aufgebrachte Metallschicht übertragen werden. Die zweite Kontaktierungsstruktur 15 ist in 3 zu sehen.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt E wird eine dritte flexible Polymerschicht 16 auf die zweite flexible Polymerschicht 13, die zweite Kontaktierungsstruktur 15 und die eingebetteten LED-Strukturen 6 aufgebracht.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt werden Kontaktgräben 17 und 18 ausgebildet, welche eine Kontaktierung der ersten und zweiten Kontaktierungsstruktur 4 und 15 von oben ermöglichen. Dieser Zustand ist in 3 dargestellt. Das Öffnen der Kontaktgräben zu den p- und n-Kontaktierungsstrukturen erfolgt zum Beispiel durch Trockenätzen mit lithografisch strukturierten Lackmasken. Bei diesem Bearbeitungsschritt wird die Geometrie der Mikro-LED-Matrix festgelegt. Abhängig von der Lage der Kontaktgräben und damit der Kontaktierung können geometrisch unterschiedliche Bauteile hergestellt werden.
  • In 3 ist somit ein Ausschnitt aus einer Mikro-LED-Matrix nach Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt:
    Die LED-Struktur 6 ist in eine flexible Umgebung, umfassend die erste flexible Polymerschicht 3, die erste Kontaktierungsstruktur 4, die zweite flexible Polymerschicht 13, die zweite Kontaktierungsstruktur 15 und die dritte flexible Polymerschicht 16 eingebettet. Die erste flexible Polymerschicht 3 besteht aus einem flexiblen biokompatiblen Polymer, beispielsweise Polyimid und weist eine Dicke von ungefähr 5 μm auf. Auch die zweite flexible Polymerschicht 13 besteht aus einem flexiblen biokompatiblen Polymer, beispielsweise Epoxidharz oder BCB (Bisbenzocyclobuten) und weist eine Dicke von ungefähr 5 μm auf. Die zweite flexible Polymerschicht 13 stützt den Überstand 14 der LED-Struktur 6. Die dritte flexible Polymerschicht 13 besteht aus einem flexiblen biokompatiblen Polymer, beispielsweise Polyimid und dient der elektrischen Isolation. Die Dicke der dritten flexiblen Polymerschicht 16 beträgt ebenso ungefähr 5 μm.
  • Die dritte flexible Polymerschicht 16 wird durch eine Anzahl Kontaktgräben 17 und 18 durchbrochen. Der Kontaktgraben 17 durchgreift die dritte flexible Polymerschicht 16 und ermöglicht so die Verschaltung des n-Kontakts 15. Der Kontaktgraben 18 durchgreift zusätzlich zur dritten flexiblen Polymerschicht 16 ebenso die zweite flexible Polymerschicht 13 und ermöglicht so die Verschaltung des p-Kontakts 4.
  • Die Mikro-LED-Matrix kann nun von der Trägerschicht 2 des Trägersubstrates 1 abgezogen werden. Das Ergebnis ist in 4 dargestellt:
    In 4 zeigt einen Ausschnitt einer schematischen Darstellung des Ausführungsbeispiels nach Abziehen von der Trägerschicht 2 des Trägersubstrates 1. Das Bauteil umfasst eine erste flexible Polymerschicht 3, eine erste Kontaktierungsstruktur 4, eine p-dotierte GaN-Schicht 8, eine n-dotierte GaN-Schicht 7, zwei Passivierungsschichten 10a und 10b, eine zweite Kontaktierungsstruktur 15, eine zweite flexible Polymerschicht 13 und eine dritte flexible Polymerschicht 16. Zur Verschaltung der LED-Struktur durchbricht der Kontaktierungsgraben 17 die dritte flexible Polymerschicht bis zur zweiten Kontaktierungsstruktur 15. Der Kontaktierungsgraben 18 durchbricht die dritte flexible Polymerschicht 16 und die zweite Polymerschicht 13 bis zur ersten Kontaktierungsstruktur 4. Dadurch wird eine vorder- und rückseitige Verschaltung der LED-Struktur 6 ermöglicht. Aufgrund der beidseitigen Verschaltung findet in der LED-Struktur 6 ein im Wesentlichen vertikaler Stromfluss statt. Die Abmessungen der LED-Struktur in vertikaler Richtung betragen 5 μm. In horizontaler Richtung weisen die LED-Strukturen hingegen deutlich größere Abmessungen zwischen 10 und 100 μm auf. Vorteilhafterweise führt somit der vertikale Stromfluss durch die geringen Abmessungen der LED-Struktur 6 in vertikaler Richtung nicht zu einem hohen Serienwiderstand.
  • Bei Benutzung der LED-Struktur 6 erfolgt die Lichtabgabe insbesondere nach oben gemäß Darstellung in 4.
  • 5 zeigt zwei mögliche Kontaktierungsschemata zur Verschaltung der LED-Strukturen 6. Die Verschaltung der p-Kontakte erfolgt nach dem Schema dargestellt in 5a. Es sind insgesamt sechs p-Zuleitungen 27 vorhanden, die 18 LED-Strukturen 6 derart kontaktieren, dass jede p-Zuleitung 27 an den p-Kontakt von drei LED-Strukturen 6, welche eine p-Gruppierung 29 bilden, angreift. In 5b ist das Schema für die Kontaktierung der n-Kontakte dargestellt. Hier sind insgesamt drei n-Zuleitungen 28 vorhanden, die 18 LED-Strukturen 6 derart kontaktieren, dass jede der drei n-Zuleitungen 28 jede p-Gruppierung 29, die durch die p-Zuleitungen 27 der p-Kontaktierung entsteht, genau einmal kontaktiert.
  • In 5a führt jede der sechs p-Zuleitungen 27 zu einer p-Gruppierung 29 aus drei LED-Strukturen 6. Jede der LED-Strukturen 6 wird durch die p-Zuleitung an ihrem p-Kontakt kontaktiert. Da die verschiedenen LED-Strukturen 6 voneinander isoliert sind, ergeben sich sechs p-Gruppierungen 29 aus jeweils drei LED-Strukturen 6, welche Gruppierungen 29 jeweils durch eine einzelne p-Zuleitung 27 kontaktiert sind.
  • In 5b verlaufen die drei n-Zuleitungen 28 derart, dass jede n-Zuleitung 28 eine andere LED-Struktur 6 aus jeder der p-Gruppierungen 29, welche durch die p-Kontaktierung gebildet worden sind, am n-Kontakt kontaktiert. Die drei Zuleitungen 28 kontaktierten also jeweils sechs LED-Strukturen 6 aus sechs verschiedenen p-Gruppierungen 29.
  • Durch diese Art der Kontaktierung ist es möglich, mit einer Anzahl von k-Zuleitungen auf der n- und k/2 auf der p-Kontaktseite insgesamt k2/2 LED-Strukturen 6 individuell anzusteuern.
  • Beispielhaft wird im Folgenden beschrieben, wie die LED-Struktur 19 angesteuert werden kann: Um die LED-Struktur 19 zu aktivieren, wird der n-Kontakt über die mittlere n-Zuleitung 20 kontaktiert, dargestellt in 5b. Der p-Kontakt wird über die untere mittlere p-Zuleitung 21, dargestellt in 5a, kontaktiert. Durch die Kombination der Zuleitungen 20 und 21 wird nur die LED-Struktur 19 angesteuert, da nur für diese LED-Struktur 19 sowohl der p-Kontakt als auch der n-Kontakt kontaktiert sind.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Mikro-LED-Matrix folgende Verfahrensschritte umfassend: A Abscheiden einer LED-Schichtstruktur auf ein Arbeitssubstrat (5); B Vereinzeln einer Mehrzahl von LED-Strukturen (6) aus der LED-Schichtstruktur auf dem Arbeitssubstrat (5); C Aufbringen einer ersten Kontaktierungsstruktur (4) auf ein Trägersubstrat (1); D Transfer der Mehrzahl von LED-Strukturen (6) von dem Arbeitssubstrat (5) auf das Trägersubstrat (1) mittels Bonding und Laser-Lift-Off; wobei ein zumindest zweischichtiges Trägersubstrat (1) verwendet wird, umfassend eine Trägerschicht (2) und eine erste flexible Polymerschicht (3), wobei in Verfahrensschritt C die erste Kontaktierungsstruktur (4) mittelbar oder unmittelbar auf eine der Trägerschicht (2) abgewandte Seite der ersten Polymerschicht (3) aufgebracht wird und wobei in einem zusätzlichen Verfahrensschritt D-0 zwischen den Verfahrensschritten C und D eine zweite flexible Polymerschicht (13) zumindest zwischen den vereinzelten LED-Strukturen (6) ausgebildet wird, um diese einzubetten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vereinzelten LED-Strukturen (6) in dem Verfahrensschritt D-0 zwischen den Verfahrensschritten C und D in die zweite flexible Polymerschicht (13) eingebettet werden und in einem zusätzlichen Verfahrensschritt E eine dritte flexible Polymerschicht (16) auf die zweite Polymerschicht (13) und die eingebetteten LED-Strukturen (6) aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zusätzlichen Verfahrensschritt E-0 vor dem Verfahrensschritt E zumindest auf die eingebetteten LED-Strukturen (6) eine zweite Kontaktierungsstruktur (15), vorzugsweise eine metallische Kontaktierungsstruktur, aufgebracht wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vereinzelung der Mehrzahl von LED-Strukturen (6) in Verfahrensschritt B mittels Laserablation und/oder mittels eines Ätzverfahrens erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest die erste Polymerschicht (3) und/oder die zweite Polymerschicht (13) und/oder die dritte Polymerschicht (16), vorzugsweise zumindest die erste (3) und zweite Polymerschicht (13) ein flexibles biokompatibles Polymer, vorzugsweise Epoxidharz oder BCB, verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Polymerschicht (13) im Verfahrensschritt D-0 mittels Beaufschlagung mit Unterdruck in Bereich zwischen die vereinzelten LED-Strukturen (6) eingebracht wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (2) des zumindest zweischichtigen Trägersubstrats (1) in einem Verfahrensschritt F mittels eines Peel-Off-Prozesses entfernt wird.
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