近日，中國科學技術大學微電子學院孫海定教授的iGaN實驗室開發(fā)了一種具有光能量自監(jiān)測、自校準、自適應能力的三維垂直集成深紫外發(fā)光器件陣列（主要通過在透明藍寶石襯底兩側分別制備microLED陣列和探測器），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(fā)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。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(xiàn)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(fā)表于光學領域重要期刊《激光與光子學評論》 （Laser & Photonics Reviews）上。

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(xiàn)代半導體、微電子及信息產(chǎn)業(yè)的關鍵核心技術之一。相較于傳統(tǒng)光刻機高昂的成本和復雜的系統(tǒng)構造，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(fā)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(chuàng)新性地提出并實現(xiàn)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技術。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(tǒng)性設計和優(yōu)化，大幅提升了每顆microLED的發(fā)光效率、發(fā)光功率、調(diào)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(yōu)越的芯片性能，并成功構建了基于深紫外micro-LED的陣列系統(tǒng)[Journal of Semiconductors 43: 062801, 2022; IEEE Electron Device Letters 44: 472, 2023]。更進一步，通過構建集發(fā)光與探測于一體的片上光電集成芯片，實現(xiàn)了片上和片間光通信系統(tǒng)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、高光能量密度、長壽命及低功耗等優(yōu)勢，進一步開發(fā)了集自監(jiān)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(tǒng)，實現(xiàn)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(tǒng)，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(fā)穩(wěn)定和自動校準。最終，該系統(tǒng)不僅可以監(jiān)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，這為最終實現(xiàn)緊湊、便攜式和低成本無掩膜深紫外光刻技術提供了一種光源基礎。

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(jiān)測功能的穩(wěn)定發(fā)光系統(tǒng)示意圖

如圖2（a）所示，基于所搭建的電路反饋系統(tǒng)，可以明顯的觀察到未加入系統(tǒng)反饋的深紫外micro-LED陣列的發(fā)光強度隨著時間的推移逐漸降低；反觀加入具有自監(jiān)測和自校準反饋功能的器件仍然保持較高的發(fā)光強度，可以實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行。同時，基于該反饋系統(tǒng)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(xù)穩(wěn)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。眾所周知，當前氮化鎵基microLED技術已經(jīng)在高清晰顯示領域扮演著重要的角色，而本研究則進一步展示了它們在高分辨、高精度光刻技術領域的應用潛力。

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(fā)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(jīng)過顯影后，硅襯底上光刻膠(SPR955)的光學圖像。

此外，該研究提出了一種集深紫外micro-LED陣列發(fā)光與光電探測器與一體的三維垂直集成芯片架構，實現(xiàn)了寬禁帶半導體鋁鎵氮（AlGaN）基發(fā)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(xiàn)垂直光子互聯(lián)的可能性。通過此集成系統(tǒng)，不僅有利于克服傳統(tǒng)單片光電集成系統(tǒng)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(lián)和器件集成的局限性，更借助此輸出功率恒定的新型發(fā)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(fā)展高集成度、功能多元的三維光電集成系統(tǒng)提供了一種新的路徑。

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(nèi)器件陣列的密度和集成度，并優(yōu)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(xiàn)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(fā)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方法，使其能廣泛的適用于包含三維集成光電系統(tǒng)、無掩膜光刻在內(nèi)的各種光電集成系統(tǒng)等應用場景。

此項研究工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目、中國科大雙一流建設經(jīng)費、中央高?；究蒲谢鸬葘ｍ椊?jīng)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的支持。中國科大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，安徽省格恩半導體公司提供了重要的技術支撐。

Laser & Photonics Reviews 2401220，2024 論文鏈接：<https://doi.org/10.1002/lpor.202401220>

Laser & Photonics Reviews, 18: 2300789, 2024; 論文鏈接：<https://doi.org/10.1002/lpor.202300789>