《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了深紫外microLED無掩膜光刻技術，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。該技術發揮了深紫外microLED顯示芯片的高均一性、高聚準性、高功率密度、高能效比的優點，將傳統光刻機所需使用的紫外光源和掩膜板上的圖案融為一體，在短時間內為光刻膠曝光提供足夠的輻照劑量，為半導體制造行業革命性發展開創了一條新路徑。

光刻機是半導體制造行業中的關鍵設備，被廣泛應用于集成電路芯片生產領域。它利用短波長的紫外光，穿透掩模版后，在半導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，隨著全球對高性能芯片需求激增，大國之間博弈加劇，光刻機技術對全球科技競爭格局產生深遠影響，逐漸成為半導體行業關注的焦點。傳統光刻機的機械結構復雜、系統體積龐大，相關技術被歐美發達國家所壟斷封鎖，也成為半導體行業的‘卡脖子’技術。近年來，低成本高精度的無掩膜光刻技術逐漸成為半導體行業的新興研發熱點，因為其能夠提供使曝光圖案具有可調整的靈活性，提供了更加多樣化的定制選項，并節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技術對自主開發半導體裝備顯得尤為關鍵。

傳統的深紫外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、南方科技大學、國家第三代半導體技術創新中心（蘇州）、思坦科技等單位進行了長期聯合攻關。該團隊研究發現，深紫外microLED尺寸直接影響分辨率和光功率，更小的尺寸能夠實現更高的分辨率，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在新型顯示領域的應用，也能開拓無掩模光刻新方案。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，插圖顯示了一個5×5 μm² UVC microLED；c，不同尺寸器件的電致發光顯微圖像。

   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、外延應力釋放進行了提升，實現了以下關鍵性突破：

· 高功率、高光效：為滿足高功率、高效率的光刻應用需求，研究團隊開發了采用鋁鎵氮(AlGaN)材料的深紫外(UVC) microLED。這些microLED的發光波長為270 nm，創下最小尺寸僅為3×3 μm²，外量子效率5.7%的紀錄，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有源驅動顯示各式曝光所需的圖案，展現了其在無掩膜光刻等高精密應用中的前景。

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

· 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秒內完全曝光，與傳統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。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用于半導體制造行業中提供了充分保障。

· 應用示范：基于該無掩模光刻原型機平臺開發了半導體制造方案，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下降比率的尺寸關系；d，3×3 μm² UVC microLED的電致發光光譜。

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、更低的驅動電壓、更高的外量子效率和光功率密度、更大規模的陣列尺寸、更高的顯示分辨率。這些關鍵性能提升使該研究的各項指標處于全球領先地位。目前，這種基于深紫外microLED顯示技術的無掩膜光刻方法，已經被驗證成功應用于microLED顯示屏幕的制造中，為該研究技術成果轉換和落地在奠定了堅實基礎。這一突破將顯著節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。該研究標志著深紫外microLED技術將在半導體行業中帶來變革，開啟無掩膜光刻的創新解決方案，并預計將在未來推動半導體制造工藝的革命性進展。

圖3 | UVC microLED顯示及其在圖案轉移中的應用：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。團隊將繼續提升AlGaN深紫外microLED的各項性能，并對原型機進行改進，開發2~8k高分辨率的深紫外microLED顯示屏幕。

香港科技大學先進顯示與光電子技術國家重點實驗室馮鋒副研究員為第一作者，南方科技大學電子系劉召軍研究員為通訊作者。香港科大國重實驗室創始主任郭海成教授為該研究提供了系統性指導。中國科學院蘇州納米所副所長、國家第三代半導體技術創新中心（蘇州）副主任徐科研究員為該研究提供了重要幫助。中國科學院外籍院士、瑞典皇家科學院院士、瑞典皇家工程科學院院士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用示范和產業化支持。

該研究得到了國家重點研發計劃、廣東省基礎與應用基礎研究基金、深圳市科學技術基金項目等項目資助。該研究同時得到了香港科技大學（清水灣）納米系統制造實驗中心(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