《自然》出版集團旗下雜志Nature Photonics近日刊登了題為“High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays for maskless photolithography”的研發(fā)文章。該研究報道了具有世界上首個高功率、高光效、高分辨率、高像素密度、低功耗的深紫外microLED顯示陣列芯片，并基于該顯示芯片提出并實現(xiàn)了深紫外microLED無掩膜光刻技術(shù)，搭建了無掩膜光刻原型機平臺，并利用該平臺制備了首個深紫外microLED無掩膜曝光的microLED器件。該技術(shù)發(fā)揮了深紫外microLED顯示芯片的高均一性、高聚準(zhǔn)性、高功率密度、高能效比的優(yōu)點，將傳統(tǒng)光刻機所需使用的紫外光源和掩膜板上的圖案融為一體，在短時間內(nèi)為光刻膠曝光提供足夠的輻照劑量，為半導(dǎo)體制造行業(yè)革命性發(fā)展開創(chuàng)了一條新路徑。

光刻機是半導(dǎo)體制造行業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于集成電路芯片生產(chǎn)領(lǐng)域。它利用短波長的紫外光，穿透掩模版后，在半導(dǎo)體表面的光刻膠薄膜上曝光形成圖案，從而制備出各種布局的芯片。近年來，隨著全球?qū)Ω咝阅苄酒枨蠹ぴ觯髧g博弈加劇，光刻機技術(shù)對全球科技競爭格局產(chǎn)生深遠影響，逐漸成為半導(dǎo)體行業(yè)關(guān)注的焦點。傳統(tǒng)光刻機的機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)體積龐大，相關(guān)技術(shù)被歐美發(fā)達國家所壟斷封鎖，也成為半導(dǎo)體行業(yè)的‘卡脖子’技術(shù)。近年來，低成本高精度的無掩膜光刻技術(shù)逐漸成為半導(dǎo)體行業(yè)的新興研發(fā)熱點，因為其能夠提供使曝光圖案具有可調(diào)整的靈活性，提供了更加多樣化的定制選項，并節(jié)省制備光刻掩模版的成本。在這一背景下，光刻膠敏感的短波長microLED技術(shù)對自主開發(fā)半導(dǎo)體裝備顯得尤為關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的深紫外LED光源存在器件尺寸大、分辨率低、能耗高、光效低、光功率不足等問題。為解決該等難題，香港科技大學(xué)、南方科技大學(xué)、國家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心（蘇州）、思坦科技等單位進行了長期聯(lián)合攻關(guān)。該團隊研究發(fā)現(xiàn)，深紫外microLED尺寸直接影響分辨率和光功率，更小的尺寸能夠?qū)崿F(xiàn)更高的分辨率，但通常會引起光功率的降低，如能解決這一問題，則既能推動microLED在新型顯示領(lǐng)域的應(yīng)用，也能開拓?zé)o掩模光刻新方案。團隊對深紫外microLED開展了多年的研究，對減小器件尺寸[10.1109/LED.2021.3130750]、提升光效率[10.1063/5.0123409]、降低功耗[10.1002/jsid.1107]等關(guān)鍵方向進行了探索。

圖1 | 制備的UVC microLED：a，UVC microLED示意圖；b，6×6 μm² UVC microLED陣列的掃描電子顯微鏡形態(tài)，插圖顯示了一個5×5 μm² UVC microLED；c，不同尺寸器件的電致發(fā)光顯微圖像。

   在本次研究中，團隊采用先進制造工藝對光萃取效率、熱分布性能、外延應(yīng)力釋放進行了提升，實現(xiàn)了以下關(guān)鍵性突破：

· 高功率、高光效：為滿足高功率、高效率的光刻應(yīng)用需求，研究團隊開發(fā)了采用鋁鎵氮(AlGaN)材料的深紫外(UVC) microLED。這些microLED的發(fā)光波長為270 nm，創(chuàng)下最小尺寸僅為3×3 μm²，外量子效率5.7%的紀(jì)錄，最高光功率密度達到396 W/cm²，克服了以往光源強度的限制，確保了光刻所需的輻照能量。

· 高分辨率圖案顯示：研究團隊開發(fā)了一款分辨率達320×140、像素密度為2540 ppi (pixel per inch)的深紫外microLED顯示屏，利用CMOS有源驅(qū)動顯示各式曝光所需的圖案，展現(xiàn)了其在無掩膜光刻等高精密應(yīng)用中的前景。

· 顯示屏幕性能提升：通過集成背面反射層和優(yōu)化電流分布，研究顯著提高了屏幕發(fā)光均勻性和光束整形效果，確保了顯示屏各區(qū)域的穩(wěn)定性能。

· 快速曝光能力：首次搭建了深紫外microLED無掩膜光刻原型機，在測試中， 1微米厚的正性光刻膠(AZ MiR 703)可在3秒內(nèi)完全曝光，與傳統(tǒng)使用光刻掩膜版的漸進式光刻機和步進式光刻機的曝光時間相當(dāng)。通過進一步增加功率，該原型機曝光能量密度可大幅提升，將曝光時間縮短至毫秒級。這樣的快速曝光得益于microLED優(yōu)越的光電性能和光提取效率，也為深紫外microLED的無掩膜曝光實際應(yīng)用于半導(dǎo)體制造行業(yè)中提供了充分保障。

· 應(yīng)用示范：基于該無掩模光刻原型機平臺開發(fā)了半導(dǎo)體制造方案，制備了首個深紫外microLED無掩膜曝光的藍光microLED陣列器件(microLED made by microLED)。

圖2 | UVC microLED的表征：a，不同器件尺寸的UVC microLED的J–V特性；b，外量子效率（EQE）；c，峰值EQE與EQE下降比率的尺寸關(guān)系；d，3×3 μm² UVC microLED的電致發(fā)光光譜。

表1 | 本研究中UVC microLED性能與代表性參考文獻的比較。

與其他具有代表性的工作相比，該研究報道了更小的器件尺寸、更低的驅(qū)動電壓、更高的外量子效率和光功率密度、更大規(guī)模的陣列尺寸、更高的顯示分辨率。這些關(guān)鍵性能提升使該研究的各項指標(biāo)處于全球領(lǐng)先地位。目前，這種基于深紫外microLED顯示技術(shù)的無掩膜光刻方法，已經(jīng)被驗證成功應(yīng)用于microLED顯示屏幕的制造中，為該研究技術(shù)成果轉(zhuǎn)換和落地在奠定了堅實基礎(chǔ)。這一突破將顯著節(jié)省了光刻掩模板制造的高成本，同時在效率上遠超電子束直寫的無掩膜曝光技術(shù)。該研究標(biāo)志著深紫外microLED技術(shù)將在半導(dǎo)體行業(yè)中帶來變革，開啟無掩膜光刻的創(chuàng)新解決方案，并預(yù)計將在未來推動半導(dǎo)體制造工藝的革命性進展。

圖3 | UVC microLED顯示及其在圖案轉(zhuǎn)移中的應(yīng)用：a，320×140 UVC microLED顯示器；f、g，UVC microLED顯示光刻在涂有光刻膠的晶圓上顯示的相應(yīng)無掩模光刻圖像(f)和1.1 μm膠厚的表面輪廓(g)。

圖4 | 使用UVC microLED顯示的無掩模光刻制造出微型LED顯示器的展示。

該項工作于2023年3月12日完成，于2023年4月18日提交至《Nature Photonics》，在完成三輪實際驗證后，于2024年9月12日被正式接收。團隊將繼續(xù)提升AlGaN深紫外microLED的各項性能，并對原型機進行改進，開發(fā)2~8k高分辨率的深紫外microLED顯示屏幕。

香港科技大學(xué)先進顯示與光電子技術(shù)國家重點實驗室馮鋒副研究員為第一作者，南方科技大學(xué)電子系劉召軍研究員為通訊作者。香港科大國重實驗室創(chuàng)始主任郭海成教授為該研究提供了系統(tǒng)性指導(dǎo)。中國科學(xué)院蘇州納米所副所長、國家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心（蘇州）副主任徐科研究員為該研究提供了重要幫助。中國科學(xué)院外籍院士、瑞典皇家科學(xué)院院士、瑞典皇家工程科學(xué)院院士Lars Samuelson教授為該研究提供了寶貴意見。思坦科技有限公司為該研究提供了應(yīng)用示范和產(chǎn)業(yè)化支持。

該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、深圳市科學(xué)技術(shù)基金項目等項目資助。該研究同時得到了香港科技大學(xué)（清水灣）納米系統(tǒng)制造實驗中心(NFF)、材料表征與制備中心(MCPF)、電子封裝實驗室(EPACK Lab)、南方科技大學(xué)公共測試分析中心的平臺支撐。

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https://www.nature.com/articles/s41566-024-01551-7