研究背景
随着氮化铝镓（AlGaN）深紫外（UVC）微发光二极管（micro-LEDs）技术的发展，UVC微LED因其在无掩模光刻等应用中的潜力，逐渐成为研究热点。然而，目前这一技术仍面临光输出功率不足和效率低下等挑战，这严重限制了UVC微LED在实际应用中的推广和发展。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优化微LED的制造工艺和光电特性，尤其是在小尺寸（3 µm到100 µm）微LED的开发上。研究结果表明，3 µm的UVC微LED达到创纪录的外量子效率峰值为5.7%和最大亮度为396 W cm–2。此外，2540像素每英寸的UVC微LED阵列表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可能性。基于此，研究者们设计了320×140分辨率的UVC微显示屏，专门用于无掩模光刻应用，通过定制的集成电路驱动器实现了最佳性能。这些进展使得UVC微LED能够在数秒内完全曝光光刻胶，展示了在光刻领域的广阔应用前景。因此，这项研究不仅为UVC微LED的发展提供了新的思路，也为无掩模光刻技术的实施开辟了新的道路，预示着在半导体行业的潜在革命性进展。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。
研究亮点
1）本研究首次展示了氮化铝镓（AlGaN）深紫外（UVC）微发光二极管（micro-LEDs），其尺寸范围从3 µm到100 µm，特别是3 µm微LED实现了创纪录的外量子效率（EQE）5.7%和光输出密度396 W cm–2。这为UVC微LED的高效应用奠定了基础。2）实验通过对UVC微LED进行光电特性表征，评估了不同尺寸微LED的性能。结果表明，3µm微LED具有显著的发光能力，而大尺寸微LED在效率和功率方面仍存在挑战。同时，2540像素每英寸的UVC微LED阵列展现了良好的发光均匀性和光束整形能力，适合用于高分辨率显示。3）本文还成功构建了分辨率为320×140的UVC微显示屏，采用翻转芯片焊接技术和定制的CMOS集成电路驱动器，以优化其性能。该微显示屏能够实现对光刻胶的短时间曝光，为无掩模光刻应用提供了有效的解决方案。
图文解读
图1: 制造深紫外ultraviolet，UVC微发光二极管light-emitting diode，LED。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。
总结展望
开发高功率铝镓氮（AlGaN）深紫外（UVC）微发光二极管（微LED）一直是一项挑战，这特别限制了这些器件的各种应用。然而，先进的制造工艺已经发展出来，能够演示出高效的270 nm UVC微LED以及具有高分辨率的大型UVC微LED显示屏，用于无掩模光刻。对尺寸范围为3 µm至100 µm的UVC微LED进行了光学和电气特性表征，以评估这些新兴设备。3 µm的器件达到了创纪录的峰值外量子效率（EQE）5.7%和最大亮度396 W cm–2。此外，采用背面反射层的2540像素每英寸（ppi）并联连接的UVC微LED阵列展现了发光均匀性和准直性。分辨率为320×140的UVC微LED显示器专为无掩模光刻应用而设计，利用定制的集成电路驱动器以实现最佳性能。得益于其增强的电流扩散均匀性、改善的热散逸和卓越的光提取效率，UVC微LED和UVC微显示器能够在几秒钟内提供足够的剂量以完全曝光光刻胶薄膜。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
