FUTURE | 远见 闵青云 选编
近期，香港科技大学Feng Feng和南方科技大学刘召军教授等携手改进UVC微LED的制备工艺，成功实现了270 nm波长的高效UVC微LED，3 μm的微LED达到了创纪录的5.7%峰值外量子效率和396 W cm⁻²的最大亮度。以上成果在Nature Photonics期刊上发表了题为「High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays for maskless photolithography」的最新论文。
研究背景
氮化铝镓（AlGaN）深紫外（UVC）微发光二极管（micro-LEDs）是新兴的光电器件，因其在紫外光刻、消毒和生物传感等领域的广泛应用潜力而成为了研究热点。然而，尽管UVC微LED具备高效能和小尺寸的优势，但其在光输出功率（LOP）和外量子效率（EQE）方面的不足仍然是一个主要挑战，尤其是在小于100 μm的微型器件中，这限制了其在高分辨率光刻等实际应用中的有效性。
研究内容
为了解决这些问题，香港科技大学Feng Feng等，南方科技大学刘召军教授等携手致力于改进UVC微LED的制备工艺，以实现更高的功率输出和效率。本文通过采用创新的制造流程，成功实现了270 nm波长的高效UVC微LED，并开发了高分辨率的UVC微LED显示器，能够满足无掩模光刻的需求。这些新型UVC微LED的光电特性得到了深入的光学和电气表征，结果显示，3 μm的微LED达到了创纪录的5.7%峰值外量子效率和396 W cm⁻²的最大亮度。此外，采用2540像素每英寸的UVC微LED阵列，结合后侧反射层，展示了优异的发光均匀性和光束整形能力。这些UVC微LED和显示器能够在短时间内为光刻胶薄膜提供足够的曝光剂量，极大地提升了光刻的效率。这项研究不仅为无掩模光刻的实际应用提供了新的技术路径，也为半导体行业的未来发展奠定了基础。
图文导读
1. 实验首次展示高效的270 nm UVC微LED，在尺寸为3 µm的设备中达到了创纪录的外量子效率（EQE）5.7%和最大亮度396 W cm⁻²，显著提高了UVC微LED的性能。
2. 实验通过优化制造工艺，开发了大格式的UVC微LED显示屏，该显示屏分辨率为320 × 140，采用定制的集成电路驱动器，专门设计用于无掩模光刻应用。这种设计优化了光输出和发光均匀性。
3. 对2540像素每英寸的UVC微LED阵列进行了光分布和均匀性分析，结果显示该阵列在不同尺寸（从3 µm到100 µm）下展现出良好的发光均匀性和光束整形能力，为高分辨率光刻提供了保障。
4. 通过实验验证了UVC微LED在无掩模光刻中的应用潜力，能够在数秒内对光刻胶薄膜进行完全曝光，具备了在光刻技术中应用的必要功率和效率。
图1 | 制造深紫外ultraviolet，UVC微发光二极管light-emitting diode，LED。
图2 | 独立深紫外UVC微发光二极管LED表征。
图3 | 并联深紫外UVC微发光二极管LED阵列。
图4 | 深紫外UVC微发光二极管LED显示器及其在图案转移上的应用。
科学启迪
研究表明，微LED在无掩模光刻中具备优异的电学和光学性能，这为其在高分辨率显示技术中的应用奠定了基础。通过将尺寸缩小到3 µm，研究者们成功实现了高达5.7%的峰值外量子效率（EQE）和396 W cm⁻²的光输出密度，这表明微LED在微米级别的高效能表现。其次，结合定制的CMOS驱动器，微显示器在图像显示中的灵活性和发光均匀性得到了显著提升，展示了其在实际应用中的潜力。最后，研究强调了小尺寸微LED的重要性，不仅可以满足现代光刻对高效、环境友好的光源需求，也为未来半导体领域的发展提供了新的思路。总体而言，本文不仅推动了UVC微LED技术的发展，还为光电器件的创新设计与应用提供了新的科学视角，预示着在高效光源和显示技术方面的广阔前景。
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01551-7
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