研究背景
隨著氮化鋁鎵（AlGaN）深紫外（UVC）微發光二極管（micro-LEDs）技術的發展，UVC微LED因其在無掩模光刻等應用中的潛力，逐漸成為研究熱點。然而，目前這一技術仍面臨光輸出功率不足和效率低下等挑戰，這嚴重限制了UVC微LED在實際應用中的推廣和發展。為了解決這些問題，香港科技大學Feng Feng等，南方科技大學劉召軍教授等攜手致力于優化微LED的制造工藝和光電特性，尤其是在小尺寸（3 μm到100 μm）微LED的開發上。研究結果表明，3 μm的UVC微LED達到創紀錄的外量子效率峰值為5.7%和最大亮度為396 W cm–2。此外，2540像素每英寸的UVC微LED陣列表現出良好的發光均勻性和光束整形能力，為高分辨率光刻提供了可能性。基于此，研究者們設計了320×140分辨率的UVC微顯示屏，專門用于無掩模光刻應用，通過定制的集成電路驅動器實現了最佳性能。這些進展使得UVC微LED能夠在數秒內完全曝光光刻膠，展示了在光刻領域的廣闊應用前景。因此，這項研究不僅為UVC微LED的發展提供了新的思路，也為無掩模光刻技術的實施開辟了新的道路，預示著在半導體行業的潛在革命性進展。以上成果在“Nature Photonics”期刊上發表了題為“High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays for maskless photolithography”的最新論文。
研究亮點
1）本研究首次展示了氮化鋁鎵（AlGaN）深紫外（UVC）微發光二極管（micro-LEDs），其尺寸范圍從3 μm到100 μm，特別是3 μm微LED實現了創紀錄的外量子效率（EQE）5.7%和光輸出密度396 W cm–2。這為UVC微LED的高效應用奠定了基礎。2）實驗通過對UVC微LED進行光電特性表征，評估了不同尺寸微LED的性能。結果表明，3μm微LED具有顯著的發光能力，而大尺寸微LED在效率和功率方面仍存在挑戰。同時，2540像素每英寸的UVC微LED陣列展現了良好的發光均勻性和光束整形能力，適合用于高分辨率顯示。3）本文還成功構建了分辨率為320×140的UVC微顯示屏，采用翻轉芯片焊接技術和定制的CMOS集成電路驅動器，以優化其性能。該微顯示屏能夠實現對光刻膠的短時間曝光，為無掩模光刻應用提供了有效的解決方案。
圖文解讀
圖1: 制造深紫外ultraviolet，UVC微發光二極管light-emitting diode，LED。圖4: 深紫外UVC微發光二極管LED顯示器及其在圖案轉移上的應用。
總結展望
開發高功率鋁鎵氮（AlGaN）深紫外（UVC）微發光二極管（微LED）一直是一項挑戰，這特別限制了這些器件的各種應用。然而，先進的制造工藝已經發展出來，能夠演示出高效的270 nm UVC微LED以及具有高分辨率的大型UVC微LED顯示屏，用于無掩模光刻。對尺寸范圍為3 μm至100 μm的UVC微LED進行了光學和電氣特性表征，以評估這些新興設備。3 μm的器件達到了創紀錄的峰值外量子效率（EQE）5.7%和最大亮度396 W cm–2。此外，采用背面反射層的2540像素每英寸（ppi）并聯連接的UVC微LED陣列展現了發光均勻性和準直性。分辨率為320×140的UVC微LED顯示器專為無掩模光刻應用而設計，利用定制的集成電路驅動器以實現最佳性能。得益于其增強的電流擴散均勻性、改善的熱散逸和卓越的光提取效率，UVC微LED和UVC微顯示器能夠在幾秒鐘內提供足夠的劑量以完全曝光光刻膠薄膜。Feng, F., Liu, Y., Zhang, K. et al. High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays for maskless photolithography. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01551-7
