新型深紫外微型LED阵列推动无掩模光刻技术发展

中国科学技术大学孙海鼎教授团队研发出垂直集成微尺度发光二极管(micro-LED)阵列，并首次应用于深紫外(DUV)无掩模光刻系统。该项研究成果发表在《激光与光子学评论》上。

光刻技术在集成电路制造中发挥着至关重要的作用，是半导体和微电子工业的关键核心技术之一。自20世纪90年代以来，低成本、高分辨率无掩模光刻系统成为先进光刻技术研究的热点。然而，该项前沿技术的专利主要掌握在欧洲、美国、日本和韩国手中，技术壁垒较高。

在此背景下，孙教授带领的iGaN团队多年来对深紫外微LED进行了深入研究，创新性地提出了以深紫外微LED阵列为光源的无掩模光刻系统。

他们系统地设计和优化了深紫外微型LED的外延结构、器件尺寸、侧壁轮廓和几何形状，大大提高了其功率效率、调制带宽以及在紫外光检测、成像和传感方面的多功能性。在此基础上，该团队成功开发了基于这些深紫外微型LED的阵列系统。

在本项工作中，该团队进一步提出并制作了一种深紫外显示集成，充分利用了深紫外微LED超小尺寸和超高亮度的优势，提出了一种三维垂直集成器件架构，其中基于AlGaN的深紫外微LED阵列与基于氧化锌(ZnO)的光电探测器(PD)通过透明蓝宝石衬底并排。

在这种架构下，从DUV微型LED阵列发射的紫外光子可以穿透透明蓝宝石基板，并被基板背面的PD捕获，从而实现高效的光信号传输。

此外，团队还基于垂直集成器件开发了闭环反馈控制的自稳定发光系统，该系统不仅可以监测Micro-LED阵列输出光强的波动，还可以提供持续的反馈，以保证输出功率的稳定。

测试结果表明，具有自稳定系统的装置能保持较高的光强和长期稳定性，而无反馈系统的装置光强随着时间的推移逐渐下降。

利用该反馈系统，该团队演示了像素密度高达5像素/英寸(PPI)的DUV微型LED阵列，并在无掩模DUV光刻后成功在硅片上显示出清晰的图案，表明高分辨率光刻技术具有潜力。这是基于DUV微型LED有源矩阵的DUV无掩模光刻的首次演示。

该研究开发了一种新型深紫外微型LED阵列与PD相结合的集成器件，为未来无掩模光刻系统展示了巨大的应用前景，也为未来发展高集成、多功能的三维光电集成系统奠定了基础。

下一阶段，团队将致力于进一步缩小单个Micro-LED和PD的尺寸，从而提高单位面积阵列的密度和集成度，并优化单个器件的性能和大晶圆的均匀性，为无掩模光刻技术的更高精度奠定基础。