中國科大在無掩膜深紫外Micro LED光刻技術研究取得新進展

　　近日，中國科學技術大學微電子學院特任教授孫海定iGaNLab課題組開發了一種具有光能量自監測、自校準、自適應能力的三維垂直集成深紫外發光器件陣列，并將它們成功應用于新型無掩膜深紫外光刻技術中。該研究首次提出將深紫外微型發光二極管(micro-LED)陣列作為光源應用于無掩膜深紫外光刻技術。在被廣泛應用于集成電路芯片制造的步進式光刻機技術之外，本技術提出利用每顆micro-LED具有高能量密度、高分辨率、高集成度、低能耗等特點，為實現高精度深紫外光刻提供了一種新的路徑和方法。這項研究成果以“Vertically Integrated Self‐Monitoring AlGaN‐Based Deep Ultraviolet Micro‐LED Array with Photodetector Via a Transparent Sapphire Substrate Toward Stable and Compact Maskless Photolithography Application ”為題，發表于光學領域重要期刊《Laser & Photonics Reviews 》。

　　光(guang)(guang)刻技(ji)(ji)(ji)術(shu)在集成電(dian)路(lu)芯片(pian)制(zhi)(zhi)造過程中扮演著(zhu)至關重要(yao)的角色，是現代半(ban)導(dao)體、微電(dian)子及信息產業(ye)的關鍵核心技(ji)(ji)(ji)術(shu)之一。在芯片(pian)制(zhi)(zhi)造過程中，光(guang)(guang)刻工藝(yi)的費用占總加工成本的約30%，耗費時間約45%。傳(chuan)(chuan)統(tong)光(guang)(guang)刻技(ji)(ji)(ji)術(shu)包括光(guang)(guang)學(xue)光(guang)(guang)刻、極(ji)紫外(wai)光(guang)(guang)刻和X射線光(guang)(guang)刻等，均(jun)需依賴掩(yan)模(mo)板來控制(zhi)(zhi)光(guang)(guang)的傳(chuan)(chuan)播路(lu)徑，從而將圖案精確投射到感光(guang)(guang)材料上并精準復(fu)(fu)現在半(ban)導(dao)體晶圓上，最終實現芯片(pian)微納(na)結構(gou)的加工與制(zhi)(zhi)造。然而，這類技(ji)(ji)(ji)術(shu)不可避免地增加了芯片(pian)制(zhi)(zhi)造的復(fu)(fu)雜性和成本，且由于(yu)傳(chuan)(chuan)統(tong)光(guang)(guang)刻機高昂的成本和復(fu)(fu)雜的系統(tong)構(gou)造，我國(guo)在光(guang)(guang)刻相關技(ji)(ji)(ji)術(shu)領域一直受制(zhi)(zhi)于(yu)國(guo)外(wai)的封鎖和技(ji)(ji)(ji)術(shu)壟(long)斷。

　　20世紀90年(nian)代起，低成(cheng)本(ben)、高分(fen)辨(bian)率無掩膜(mo)光(guang)刻(ke)(ke)技術便成(cheng)為了光(guang)刻(ke)(ke)技術研究的(de)(de)前沿熱點之一(yi)，但已開發(fa)的(de)(de)相關技術專(zhuan)利主要集中(zhong)于(yu)(yu)歐美、日(ri)本(ben)和(he)韓國等國家，技術壁壘(lei)較高。在(zai)此背景下(xia)，孫海定教授iGaN團隊創新性(xing)(xing)地提(ti)出并實現了一(yi)種基(ji)于(yu)(yu)深(shen)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)micro-LED陣列作為光(guang)源的(de)(de)無掩膜(mo)深(shen)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)光(guang)刻(ke)(ke)系(xi)統(tong)。該團隊通(tong)過(guo)多年(nian)在(zai)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)micro-LED的(de)(de)研究和(he)積累，針(zhen)對深(shen)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)micro-LED的(de)(de)外(wai)延(yan)結構(gou)(gou)[Optics Letters 47: 4187, 2022]、器件尺寸[Optics Letters, 46: 3271, 2021]、側壁形貌[Optics Letters, 46: 4809, 2021]以及(ji)幾(ji)何(he)形狀(zhuang)[IEEE Electron Device Letters 44:1520, 2024]進行(xing)了系(xi)統(tong)性(xing)(xing)設(she)計和(he)優化，大(da)幅提(ti)升了每顆microLED的(de)(de)發(fa)光(guang)效率、發(fa)光(guang)功率、調制帶寬以及(ji)它們在(zai)日(ri)盲(mang)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)光(guang)探測、成(cheng)像和(he)傳感等方面的(de)(de)多功能性(xing)(xing)及(ji)優越的(de)(de)芯片(pian)性(xing)(xing)能，并成(cheng)功構(gou)(gou)建(jian)了基(ji)于(yu)(yu)深(shen)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)micro-LED的(de)(de)陣列系(xi)統(tong)[Journal of Semiconductors 43:062801, 2022; IEEE Electron Device Letters 44: 472, 2023]。更進一(yi)步(bu)，通(tong)過(guo)構(gou)(gou)建(jian)集發(fa)光(guang)與探測于(yu)(yu)一(yi)體的(de)(de)片(pian)上光(guang)電集成(cheng)芯片(pian)，實現了片(pian)上和(he)片(pian)間光(guang)通(tong)信系(xi)統(tong)應用[Laser & Photonics Reviews, 18: 2300789, 2024; Advanced Optical Materials, 2400499, 2024]。

　　在(zai)本次研(yan)(yan)究中(zhong)，團隊(dui)利用(yong)深(shen)紫(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)micro-LED具備的(de)(de)(de)(de)超(chao)小(xiao)尺寸、超(chao)高(gao)亮(liang)度(du)(du)(du)、長壽命及低功(gong)耗等優(you)勢，進(jin)一步開發了(le)集(ji)(ji)自(zi)監(jian)測(ce)、自(zi)校(xiao)準(zhun)、自(zi)適應功(gong)能(neng)于一體(ti)的(de)(de)(de)(de)深(shen)紫(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)顯(xian)示光(guang)(guang)電集(ji)(ji)成芯片(pian)，并應用(yong)于無(wu)掩(yan)膜深(shen)紫(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)光(guang)(guang)刻系統，實現(xian)了(le)國(guo)際上利用(yong)該新型紫(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)光(guang)(guang)源(yuan)進(jin)行無(wu)掩(yan)膜光(guang)(guang)刻技(ji)術的(de)(de)(de)(de)探(tan)索。在(zai)追求高(gao)效率(lv)、小(xiao)尺寸深(shen)紫(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)micro-LED及其陣(zhen)列的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究基礎(chu)上，團隊(dui)提出(chu)(chu)了(le)一種(zhong)集(ji)(ji)深(shen)紫(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)micro-LED陣(zhen)列發光(guang)(guang)與光(guang)(guang)電探(tan)測(ce)器(qi)與一體(ti)的(de)(de)(de)(de)三維(wei)垂直集(ji)(ji)成芯片(pian)架構(gou)，如圖(tu)1(a)-(b)所示。在(zai)該三維(wei)垂直集(ji)(ji)成架構(gou)中(zhong)，深(shen)紫(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)micro-LED陣(zhen)列向下發射的(de)(de)(de)(de)紫(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)光(guang)(guang)子可以(yi)穿透過(guo)透明的(de)(de)(de)(de)藍(lan)寶石(shi)襯底(di)并被(bei)襯底(di)背面的(de)(de)(de)(de)紫(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)探(tan)測(ce)器(qi)捕(bu)獲，以(yi)實現(xian)LED和探(tan)測(ce)器(qi)之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)“光(guang)(guang)子互連與集(ji)(ji)成”，從(cong)而進(jin)行高(gao)效的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)。此(ci)外(wai)(wai)(wai)(wai)，通過(guo)搭建(jian)外(wai)(wai)(wai)(wai)部電路反(fan)饋系統，如圖(tu)1(c)，團隊(dui)展示了(le)深(shen)紫(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)micro-LED陣(zhen)列光(guang)(guang)輸(shu)出(chu)(chu)能(neng)量密(mi)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)自(zi)發穩(wen)定和自(zi)動校(xiao)準(zhun)。最終，該系統不(bu)僅可以(yi)監(jian)測(ce)陣(zhen)列器(qi)件(jian)光(guang)(guang)輸(shu)出(chu)(chu)能(neng)量密(mi)度(du)(du)(du)隨時(shi)間的(de)(de)(de)(de)波(bo)動變化，還可以(yi)不(bu)斷提供反(fan)饋信(xin)號(hao)以(yi)確保恒定的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)輸(shu)出(chu)(chu)功(gong)率(lv)和光(guang)(guang)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)(du)(du)。這(zhe)種(zhong)高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)(du)(du)、高(gao)穩(wen)定性(xing)、高(gao)集(ji)(ji)成度(du)(du)(du)和低功(gong)耗微型紫(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)光(guang)(guang)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)提出(chu)(chu)，為最終實現(xian)緊湊(cou)、便攜式和低成本無(wu)掩(yan)膜深(shen)紫(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)光(guang)(guang)刻技(ji)術打下扎(zha)實的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)源(yuan)基礎(chu)。

　　圖1.(a)深(shen)紫外(wai)micro-LED與光電探測(ce)器(qi)(PD)三維垂直集成(cheng)芯片(pian)架構。(b)深(shen)紫外(wai)LED外(wai)延層與薄(bo)膜(mo)光電探測(ce)器(qi)截面的(de)(de)掃(sao)描電子顯微鏡(jing)圖像。(c)基于雙(shuang)面垂直集成(cheng)器(qi)件搭建的(de)(de)具有自校準、自監測(ce)功能(neng)的(de)(de)穩定發光系統示意圖

　　如圖2(a)所示(shi)，基(ji)(ji)于所搭建(jian)的(de)(de)(de)電路反饋(kui)系(xi)(xi)統，可(ke)以明顯(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)觀察到未加(jia)入系(xi)(xi)統反饋(kui)的(de)(de)(de)深(shen)紫(zi)外micro-LED陣列的(de)(de)(de)發(fa)光(guang)(guang)(guang)強(qiang)度(du)隨著(zhu)時(shi)間的(de)(de)(de)推(tui)移(yi)逐(zhu)漸(jian)降低;反觀加(jia)入具(ju)(ju)有(you)(you)自監測和(he)自校準反饋(kui)功能的(de)(de)(de)器(qi)件仍然(ran)保持較高的(de)(de)(de)發(fa)光(guang)(guang)(guang)強(qiang)度(du)，可(ke)以實(shi)現長期穩定運行(xing)。同(tong)(tong)時(shi)，基(ji)(ji)于該反饋(kui)系(xi)(xi)統展(zhan)示(shi)了一個(ge)具(ju)(ju)有(you)(you)564 PPI高像素密度(du)的(de)(de)(de)集成(cheng)深(shen)紫(zi)外micro-LED陣列，利用該集成(cheng)陣列持續穩定的(de)(de)(de)顯(xian)(xian)(xian)示(shi)字母“U”，并對旋(xuan)涂有(you)(you)SPR955光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)膠的(de)(de)(de)硅(gui)(gui)片進行(xing)深(shen)紫(zi)外無(wu)掩(yan)膜(mo)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)工藝進行(xing)曝光(guang)(guang)(guang)，顯(xian)(xian)(xian)影后成(cheng)功地在(zai)硅(gui)(gui)片上顯(xian)(xian)(xian)示(shi)出清晰的(de)(de)(de)“U”型圖案，如圖2(b)-2(d)所示(shi)。該研(yan)究(jiu)充分展(zhan)示(shi)了傳(chuan)統microLED技術不僅在(zai)高清晰顯(xian)(xian)(xian)示(shi)領(ling)域(yu)有(you)(you)著(zhu)巨大的(de)(de)(de)應(ying)用基(ji)(ji)礎(chu)，同(tong)(tong)時(shi)在(zai)高分辨、高精度(du)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)技術領(ling)域(yu)也具(ju)(ju)備重要的(de)(de)(de)應(ying)用潛力(li)。

　　圖(tu)2.(a)無反饋信(xin)號(hao)與(yu)加(jia)入反饋信(xin)號(hao)的(de)深紫(zi)外micro-LED陣列隨時間變化的(de)發光(guang)照(zhao)片。(b)制備(bei)的(de)micro-LED陣列的(de)傾斜掃描電子顯微(wei)圖(tu)像(xiang)(xiang)。(c)顯示“U”的(de)深紫(zi)外micro-LED陣列光(guang)學圖(tu)像(xiang)(xiang)。(d)經過顯影后(hou)，硅襯底上(shang)光(guang)刻膠(jiao)(SPR955)的(de)光(guang)學圖(tu)像(xiang)(xiang)。

　　綜上，該研究提出(chu)了(le)(le)一(yi)種集(ji)深紫外micro-LED陣(zhen)(zhen)列(lie)發(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)與光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探(tan)測器(qi)(qi)與一(yi)體的(de)三維垂(chui)直集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)芯片(pian)架(jia)構(gou)，實現(xian)(xian)了(le)(le)寬禁帶半導體鋁鎵氮(AlGaN)基發(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)陣(zhen)(zhen)列(lie)與光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探(tan)測器(qi)(qi)通(tong)過透明(ming)藍寶(bao)石(shi)襯底進行了(le)(le)垂(chui)直光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)，并展示(shi)了(le)(le)一(yi)種在單(dan)個芯片(pian)上實現(xian)(xian)垂(chui)直光(guang)(guang)(guang)(guang)子互聯的(de)可能(neng)性。通(tong)過此集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)系統，不僅突破了(le)(le)傳統單(dan)片(pian)光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)系統大部(bu)分(fen)只能(neng)通(tong)過水平方向或者在襯底(硅(gui)、藍寶(bao)石(shi)等)的(de)同一(yi)晶(jing)面(mian)(mian)上進行光(guang)(guang)(guang)(guang)互聯和器(qi)(qi)件(jian)集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)局限性，更(geng)借(jie)助此輸(shu)出(chu)功率恒定的(de)新型(xing)發(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)件(jian)陣(zhen)(zhen)列(lie)架(jia)構(gou)，展示(shi)了(le)(le)其在無掩模光(guang)(guang)(guang)(guang)刻技術方面(mian)(mian)的(de)應用潛力，并為未來發(fa)展高集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)度、功能(neng)多元(yuan)的(de)三維光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)系統奠定了(le)(le)基礎(chu)。

　　下一(yi)步，團隊(dui)將著力攻關如(ru)何進一(yi)步縮小單顆micro-LED和(he)探測(ce)器的(de)器件(jian)尺(chi)寸和(he)幾何形貌(mao)，提升單位面積內器件(jian)陣列(lie)的(de)密(mi)度和(he)集(ji)成(cheng)(cheng)度，并優化(hua)器件(jian)的(de)單顆性能(neng)和(he)在(zai)(zai)大晶(jing)圓上的(de)性能(neng)均一(yi)性，為(wei)下一(yi)步實(shi)現更高精(jing)度的(de)無掩膜(mo)紫外光(guang)刻(ke)技術打下基礎。同(tong)時，團隊(dui)所提出(chu)的(de)巧妙利用(yong)透明藍寶(bao)石(shi)襯底構建(jian)發光(guang)和(he)探測(ce)一(yi)體化(hua)三(san)維垂直集(ji)成(cheng)(cheng)芯片架構，也為(wei)研(yan)制高集(ji)成(cheng)(cheng)度光(guang)子芯片提供了一(yi)條新的(de)路徑和(he)解決方案，使其能(neng)廣泛(fan)的(de)適用(yong)于包含三(san)維集(ji)成(cheng)(cheng)光(guang)電系統、無掩膜(mo)光(guang)刻(ke)在(zai)(zai)內的(de)各(ge)種光(guang)電集(ji)成(cheng)(cheng)系統等應(ying)用(yong)場景。

　　此(ci)項研(yan)究工作(zuo)(zuo)得(de)到國(guo)家重點研(yan)發計劃項目、國(guo)家自然科(ke)(ke)學基(ji)(ji)金項目、中國(guo)科(ke)(ke)大(da)雙一流建設經費、中央高校基(ji)(ji)本(ben)科(ke)(ke)研(yan)基(ji)(ji)金等專項經費的(de)資助(zhu)，也得(de)到中國(guo)科(ke)(ke)大(da)微電子學院、中國(guo)科(ke)(ke)大(da)微納研(yan)究與制造中心和安徽省格恩半導體公司的(de)支持。中國(guo)科(ke)(ke)學技術大(da)學孫(sun)海(hai)定教授為論(lun)文通訊作(zuo)(zuo)者(zhe)，博士后余華斌和碩士研(yan)究生姚繼凱為論(lun)文的(de)共同第一作(zuo)(zuo)者(zhe)，武漢大(da)學劉(liu)勝院士為本(ben)項目的(de)順利展開提供(gong)了方向性和應用指(zhi)導。

　　Laser & Photonics Reviews2401220，2024 論文鏈接：//doi.org/10.1002/lpor.202401220

　　Laser & Photonics Reviews, 18: 2300789, 2024; 論文鏈接(jie)：//doi.org/10.1002/lpor.202300789