工程师开发出首款用于无掩模光刻的深紫外 microLED 显示芯片

香港科技大学（HKUST）工程学院为光刻机开发了世界上首款深紫外（UVC）microLED显示阵列晶元。此高光效晶元可配合无掩模紫外光光刻技术，提升其光输出功率密度准确性，并以较低成本及更速效的方法推动半导体晶片生产的技术发展。

▲电致发光（EL）图像显示，即使在最小的3微米器件中，各种尺寸的器件在操作电流密度下均能有效工作。深紫外（UVC）微显示器能够提供极佳的均匀性和显著的光输出功率，从而实现图案转移过程的成功实施。图片来源：香港科技大学

该研究由香港科技大学（HKUST）国家显示与光电子技术重点实验室创始主任郭海成教授指导，并与南方科技大学和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所合作完成。

光刻机是用以制造半导体的重要设备，它利用短波长的紫外光构成不同图案，从而生产出各种集成电路晶片。然而，这种运用传统汞灯和深紫外LED光源的制作有不足之处，例如器件尺寸大、解析度低、能源消耗高、输出的光效低且功率密度不足，不利于晶片制作。 

为了克服这些挑战，研究团队构建了一个无掩模光刻原型平台，利用它制作了首个由深紫外microLED无掩模曝光的microLED显示阵列晶元。过程中提高了紫外光萃取效率、增强其热分布效能，并改善了晶体外延的应力释放。

郭教授强调：“团队制作的microLED显示阵列晶元成功实现了多项关键性技术突破，包括提高了光源的功率及效能、图案显示解析度、提升荧幕性能及快速曝光能力。此microLED显示晶元有效地将紫外光源和掩模版上的图案融为一体，迅速地提供足够的辐照剂量为光阻剂进行光学曝光，推进半导体生产技术发展。”

“近年来，低成本、高精度的无掩模光刻技术已成为半导体行业的新兴研发热点。由于这种技术能够更灵活调整曝光图案，从而提供更多样化的定制选项，并节省制造光刻掩模版的成本。因此，对于自主开发半导体设备而言，有助提高光阻剂敏感度的短波长microLED技术显得尤为关键。”郭教授解释道。

“与其他代表性工作相比，我们的创新之处在于器件尺寸更小、驱动电压更低、外量子效率更高、光功率密度更高、阵列尺寸更大以及显示分辨率更高。这些关键性能的提升使该研究在所有指标上均处于全球领先地位，”HKUST电子与计算机工程系（ECE）博士后研究员冯峰博士总结道。

他们的论文《High-Power AlGaN Deep-Ultraviolet Micro-Light-Emitting Diode Displays for Maskless Photolithography》已发表在顶尖期刊《自然光子》杂志上，并因此在行业内获得了广泛认可，并被第十届国际宽禁带半导体论坛（IFWS）评为2024年中国第三代半导体技术的十大进展之一。

展望未来，团队计划继续提升AlGaN深紫外微LED的性能，改进原型，并开发2K至8K高分辨率深紫外微LED显示屏。

本研究的第一作者为冯锋博士，通讯作者则为港科大电子及计算机工程学系的客席副教授兼南方科技大学副教授刘召军。团队成员还包括港科大电子及计算机工程学系的博士后研究员刘弈镈博士、博士毕业生张珂博士，以及来自各合作机构的研究人员。