光刻技术在集成电路芯片制造过程中扮演着至关重要的角色，是现代半导体、微电子及信息产业的关键核心技术之一。相较于传统光刻机高昂的成本和复杂的系统构造，20世纪90年代起，低成本、高分辨率无掩膜光刻技术便成为了光刻技术研究的前沿热点之一，但已开发的相关技术专利主要集中于欧美、日本和韩国等国家，技术壁垒较高。在此背景下，孙海定教授iGaN团队创新性地提出并实现了一种基于深紫外micro-LED阵列作为光源的无掩膜深紫外光刻技术。该团队通过多年在紫外micro-LED的研究和积累，针对深紫外micro-LED的外延结构[Optics Letters 47: 4187, 2022]、器件尺寸[Optics Letters, 46: 3271, 2021]、侧壁形貌[Optics Letters, 46: 4809, 2021]以及几何形状[IEEE Electron Device Letters 44: 1520, 2024]进行了系统性设计和优化，大幅提升了每颗microLED的发光效率、发光功率、调制带宽以及它们在日盲紫外光探测、成像和传感等方面的多功能性及优越的芯片性能，并成功构建了基于深紫外micro-LED的阵列系统[Journal of Semiconductors 43: 062801, 2022; IEEE Electron Device Letters 44: 472, 2023]。更进一步，通过构建集发光与探测于一体的片上光电集成芯片，实现了片上和片间光通信系统应用[Laser & Photonics Reviews, 18: 2300789, 2024; Advanced Optical Materials, 2400499, 2024]。
图1.（a）深紫外micro-LED与光电探测器（PD）三维垂直集成芯片架构。（b）深紫外LED外延层与薄膜光电探测器截面的扫描电子显微镜图像。（c）基于双面垂直集成器件搭建的具有自校准、自监测功能的稳定发光系统示意图。
如图2（a）所示，基于所搭建的电路反馈系统，可以明显的观察到未加入系统反馈的深紫外micro-LED阵列的发光强度随着时间的推移逐渐降低；反观加入具有自监测和自校准反馈功能的器件仍然保持较高的发光强度，可以实现长期稳定运行。同时，基于该反馈系统展示了一个具有564 PPI高像素密度的集成深紫外micro-LED阵列，利用该集成阵列持续稳定的显示字母“U”，并对旋涂有SPR955光刻胶的硅片进行深紫外无掩膜光刻工艺进行曝光，显影后成功地在硅片上显示出清晰的“U”型图案，如图2（b）-2（d）所示。众所周知，当前氮化镓基microLED技术已经在高清晰显示领域扮演着重要的角色，而本研究则进一步展示了它们在高分辨、高精度光刻技术领域的应用潜力。
图2.（a）无反馈信号与加入反馈信号的深紫外micro-LED阵列随时间变化的发光照片。（b）制备的micro-LED阵列的倾斜扫描电子显微图像。（c）显示“U”的深紫外micro-LED阵列光学图像。(d)经过显影后，硅衬底上光刻胶(SPR955)的光学图像。
下一步，团队将着力攻关如何进一步缩小单颗micro-LED和探测器的器件尺寸和几何形貌，提升单位面积内器件阵列的密度和集成度，并优化器件的单颗性能和在大晶圆上的性能均一性，为下一步实现更高精度的无掩膜紫外光刻技术打下基础。同时，团队所提出的巧妙利用透明蓝宝石衬底构建发光和探测一体化三维垂直集成芯片架构，也为研制高集成度光子芯片提供了一条新的路径和方法，使其能广泛的适用于包含三维集成光电系统、无掩膜光刻在内的各种光电集成系统等应用场景。
Laser & Photonics Reviews 2401220，2024
论文链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202401220
--课题组供稿
