【儀表網 研發快訊】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》。
光刻技術在集成電路芯片制造過程中扮演著至關重要的角色，是現代半導體、微電子及信息產業的關鍵核心技術之一。在芯片制造過程中，光刻工藝的費用占總加工成本的約30%，耗費時間約45%。傳統光刻技術包括光學光刻、極紫外光刻和X射線光刻等，均需依賴掩模板來控制光的傳播路徑，從而將圖案精確投射到感光材料上并精準復現在半導體晶圓上，最終實現芯片微納結構的加工與制造。然而，這類技術不可避免地增加了芯片制造的復雜性和成本，且由于傳統光刻機高昂的成本和復雜的系統構造，我國在光刻相關技術領域一直受制于國外的封鎖和技術壟斷。
20世紀90年代起，低成本、高分辨率無掩膜光刻技術便成為了光刻技術研究的前沿熱點之一，但已開發的相關技術專利主要集中于歐美、日本和韓國等國家，技術壁壘較高。在此背景下，孫海定教授iGaN團隊創新性地提出并實現了一種基于深紫外micro-LED陣列作為光源的無掩膜深紫外光刻系統。該團隊通過多年在紫外micro-LED的研究和積累，針對深紫外micro-LED的外延結構[Optics Letters 47: 4187, 2022]、器件尺寸[Optics Letters, 46: 3271, 2021]、側壁形貌[Optics Letters, 46: 4809, 2021]以及幾何形狀[IEEE Electron Device Letters 44:1520, 2024]進行了系統性設計和優化，大幅提升了每顆microLED的發光效率、發光功率、調制帶寬以及它們在日盲紫外光探測、成像和傳感等方面的多功能性及優越的芯片性能，并成功構建了基于深紫外micro-LED的陣列系統[Journal of Semiconductors 43:062801, 2022;IEEE Electron Device Letters 44:472, 2023]。更進一步，通過構建集發光與探測于一體的片上光電集成芯片，實現了片上和片間光通信系統應用[Laser & Photonics Reviews, 18: 2300789, 2024;Advanced Optical Materials, 2400499, 2024]。
在本次研究中，團隊利用深紫外micro-LED具備的超小尺寸、超高亮度、長壽命及低功耗等優勢，進一步開發了集自監測、自校準、自適應功能于一體的深紫外顯示光電集成芯片，并應用于無掩膜深紫外光刻系統，實現了國際上利用該新型紫外光源進行無掩膜光刻技術的探索。在追求高效率、小尺寸深紫外micro-LED及其陣列的研究基礎上，團隊提出了一種集深紫外micro-LED陣列發光與光電探測器與一體的三維垂直集成芯片架構，如圖1(a)-(b)所示。在該三維垂直集成架構中，深紫外micro-LED陣列向下發射的紫外光子可以穿透過透明的藍寶石襯底并被襯底背面的紫外探測器捕獲，以實現LED和探測器之間的“光子互連與集成”，從而進行高效的光信號傳輸。此外，通過搭建外部電路反饋系統，如圖1(c)，團隊展示了深紫外micro-LED陣列光輸出能量密度的自發穩定和自動校準。最終，該系統不僅可以監測陣列器件光輸出能量密度隨時間的波動變化，還可以不斷提供反饋信號以確保恒定的光輸出功率和光功率密度。這種高功率密度、高穩定性、高集成度和低功耗微型紫外光源的提出，為最終實現緊湊、便攜式和低成本無掩膜深紫外光刻技術打下扎實的光源基礎。
圖1.(a)深紫外micro-LED與光電探測器(PD)三維垂直集成芯片架構。(b)深紫外LED外延層與薄膜光電探測器截面的掃描電子顯微鏡圖像。(c)基于雙面垂直集成器件搭建的具有自校準、自監測功能的穩定發光系統示意圖
如圖2(a)所示，基于所搭建的電路反饋系統，可以明顯的觀察到未加入系統反饋的深紫外micro-LED陣列的發光強度隨著時間的推移逐漸降低；反觀加入具有自監測和自校準反饋功能的器件仍然保持較高的發光強度，可以實現長期穩定運行。同時，基于該反饋系統展示了一個具有564 PPI高像素密度的集成深紫外micro-LED陣列，利用該集成陣列持續穩定的顯示字母“U”，并對旋涂有SPR955光刻膠的硅片進行深紫外無掩膜光刻工藝進行曝光，顯影后成功地在硅片上顯示出清晰的“U”型圖案，如圖2(b)-2(d)所示。該研究充分展示了傳統microLED技術不僅在高清晰顯示領域有著巨大的應用基礎，同時在高分辨、高精度光刻技術領域也具備重要的應用潛力。
圖2.(a)無反饋信號與加入反饋信號的深紫外micro-LED陣列隨時間變化的發光照片。(b)制備的micro-LED陣列的傾斜掃描電子顯微圖像。(c)顯示“U”的深紫外micro-LED陣列光學圖像。(d)經過顯影后，硅襯底上光刻膠(SPR955)的光學圖像。
綜上，該研究提出了一種集深紫外micro-LED陣列發光與光電探測器與一體的三維垂直集成芯片架構，實現了寬禁帶半導體鋁鎵氮(AlGaN)基發光陣列與光電探測器通過透明藍寶石襯底進行了垂直光電集成，并展示了一種在單個芯片上實現垂直光子互聯的可能性。通過此集成系統，不僅突破了傳統單片光電集成系統大部分只能通過水平方向或者在襯底(硅、藍寶石等)的同一晶面上進行光互聯和器件集成的局限性，更借助此輸出功率恒定的新型發光器件陣列架構，展示了其在無掩模光刻技術方面的應用潛力，并為未來發展高集成度、功能多元的三維光電集成系統奠定了基礎。
下一步，團隊將著力攻關如何進一步縮小單顆micro-LED和探測器的器件尺寸和幾何形貌，提升單位面積內器件陣列的密度和集成度，并優化器件的單顆性能和在大晶圓上的性能均一性，為下一步實現更高精度的無掩膜紫外光刻技術打下基礎。同時，團隊所提出的巧妙利用透明藍寶石襯底構建發光和探測一體化三維垂直集成芯片架構，也為研制高集成度光子芯片提供了一條新的路徑和解決方案，使其能廣泛的適用于包含三維集成光電系統、無掩膜光刻在內的各種光電集成系統等應用場景。
此項研究工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、中國科大雙一流建設經費、中央高校基本科研基金等專項經費的資助，也得到中國科大微電子學院、中國科大微納研究與制造中心和安徽省格恩半導體公司的支持。我校孫海定教授為論文通訊作者，博士后余華斌和碩士研究生姚繼凱為論文的共同第一作者，武漢大學劉勝院士為本項目的順利展開提供了方向性和應用指導。
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