近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院特任教授孫海定iGaNLab課題組開發(fā)了一種具有光能量自監(jiān)測、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)能力的三維垂直集成深紫外發(fā)光器件陣列，并將它們成功應(yīng)用于新型無掩膜深紫外光刻技術(shù)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(yīng)用于無掩膜深紫外光刻技術(shù)。在被廣泛應(yīng)用于集成電路芯片制造的步進(jìn)式光刻機技術(shù)之外，本技術(shù)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(xué)領(lǐng)域重要期刊《Laser & Photonics Reviews》。
光刻技術(shù)在集成電路芯片制造過程中扮演著至關(guān)重要的角色，是現(xiàn)代半導(dǎo)體、微電子及信息產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵核心技術(shù)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(tǒng)光刻技術(shù)包括光學(xué)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(zhǔn)復(fù)現(xiàn)在半導(dǎo)體晶圓上，最終實現(xiàn)芯片微納結(jié)構(gòu)的加工與制造。然而，這類技術(shù)不可避免地增加了芯片制造的復(fù)雜性和成本，且由于傳統(tǒng)光刻機高昂的成本和復(fù)雜的系統(tǒng)構(gòu)造，我國在光刻相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域一直受制于國外的封鎖和技術(shù)壟斷。
20世紀(jì)90年代起，低成本、高分辨率無掩膜光刻技術(shù)便成為了光刻技術(shù)研究的前沿?zé)狳c之一，但已開發(fā)的相關(guān)技術(shù)專利主要集中于歐美、日本和韓國等國家，技術(shù)壁壘較高。在此背景下，孫海定教授iGaN團(tuán)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系統(tǒng)。該團(tuán)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(jié)構(gòu)[Optics Letters 47: 4187, 2022]、器件尺寸[Optics Letters, 46: 3271, 2021]、側(cè)壁形貌[Optics Letters, 46: 4809, 2021]以及幾何形狀[IEEE Electron Device Letters 44:1520, 2024]進(jìn)行了系統(tǒng)性設(shè)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(gòu)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(jìn)一步，通過構(gòu)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(yīng)用[Laser & Photonics Reviews, 18: 2300789, 2024;Advanced Optical Materials, 2400499, 2024]。
在本次研究中，團(tuán)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(yōu)勢，進(jìn)一步開發(fā)了集自監(jiān)測、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)功能于一體的深紫外顯示光電集成芯片，并應(yīng)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(jìn)行無掩膜光刻技術(shù)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(chǔ)上，團(tuán)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(gòu)，如圖1（a）-（b）所示。在該三維垂直集成架構(gòu)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(lán)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(jìn)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(tuán)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(zhǔn)。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。這種高功率密度、高穩(wěn)定性、高集成度和低功耗微型紫外光源的提出，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(shù)打下扎實的光源基礎(chǔ)。
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(gòu)。（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(zhǔn)、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(zhǔn)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(jìn)行深紫外無掩膜光刻工藝進(jìn)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(tǒng)microLED技術(shù)不僅在高清晰顯示領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用基礎(chǔ)，同時在高分辨、高精度光刻技術(shù)領(lǐng)域也具備重要的應(yīng)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(xué)圖像。(d)經(jīng)過顯影后，硅襯底上光刻膠(SPR955)的光學(xué)圖像。
綜上，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(gòu)，實現(xiàn)了寬禁帶半導(dǎo)體鋁鎵氮（AlGaN）基發(fā)光陣列與光電探測器通過透明藍(lán)寶石襯底進(jìn)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)，不僅突破了傳統(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(lán)寶石等）的同一晶面上進(jìn)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(gòu)，展示了其在無掩模光刻技術(shù)方面的應(yīng)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)奠定了基礎(chǔ)。
下一步，團(tuán)隊將著力攻關(guān)如何進(jìn)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(shù)打下基礎(chǔ)。同時，團(tuán)隊所提出的巧妙利用透明藍(lán)寶石襯底構(gòu)建發(fā)光和探測一體化三維垂直集成芯片架構(gòu)，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(tǒng)、無掩膜光刻在內(nèi)的各種光電集成系統(tǒng)等應(yīng)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(xué)基金項目、中國科大雙一流建設(shè)經(jīng)費、中央高校基本科研基金等專項經(jīng)費的資助，也得到中國科大微電子學(xué)院、中國科大微納研究與制造中心和安徽省格恩半導(dǎo)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(xué)劉勝院士為本項目的順利展開提供了方向性和應(yīng)用指導(dǎo)。
Laser & Photonics Reviews2401220，2024 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
（微電子學(xué)院、科研部）
