开发具有足够功率的氮化镓铝深紫外（UVC）微型发光二极管（micro-LED）一直是一项挑战，这尤其限制了这些设备的各种应用。不过，先进的制造工艺已经开发出来，能够展示高效的270纳米UVC微型发光二极管和具有高分辨率的大尺寸UVC微型发光二极管显示器，适用于无掩模光刻技术。
为了评估这些新兴器件，南方科技大学刘召军研究员团队对尺寸从3 μm到100 μm的UVC微型LED进行了光学和电学表征。3 μm器件的峰值外部量子效率达到了创纪录的5.7%，最大亮度为396 Wcm-2。此外，每英寸2540像素平行连接的UVC微型LED阵列具有后侧反射层，显示出发射均匀性和准直性。UVC微型LED显示屏的分辨率为320×140，是专为无掩模光刻应用而设计的，利用定制的集成电路驱动器实现了最佳性能。由于UVC微型LED和UVC微型显示器具有更强的电流传播均匀性、更好的热分散性和更高的光萃取效率，因此能在几秒钟内提供足够的剂量使光刻胶薄膜完全曝光。这项研究为无掩模光刻技术开辟了一条道路，有可能为半导体行业带来革命性的发展。相关研究成果以题为“High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays for maskless photolithography”发表在最新一期《Nature Photonics》上。
本文通讯作者——刘召军，南方科技大学工学院电子与电气工程系副教授、研究员、博导、Micro LED实验室负责人，香港科技大学电子与计算机工程系兼职副教授，国家级人才，国际信息显示学会与量子点技术委员会主席，香港青年科学家协会主席，广东省Micro LED产业技术创新联盟执行秘书长，深圳市思坦科技有限公司创始人，思坦科技是专业从事Micro-LED半导体显示技术研发、生产、销售的国家级专精特新“小巨人”企业，拥有省级工程技术研究中心，可为AR/XR、可穿戴设备、平板显示等提供Micro-LED一站式技术解决方案。
【制造的 UVC micro-LED 的剖面图】
作者从独立UVC micro-LED的详细制造和分析开始。这些器件是在商用外延晶圆上开发的，使用2英寸蓝宝石衬底，由于AlGaN/AlN外延层与衬底之间的晶格和热失配，该衬底面临着严重的弯曲。这种曲率给实现高分辨率、大尺寸UVC micro-LED阵列带来了挑战。
图1a提供了UVC micro-LED结构示意图，展示了可最大限度提高光提取的倒装芯片设计。该设计具有电子阻挡层和透明p接触，可最大限度地减少光吸收。所制造的UVC micro-LED尺寸小至3µm，表现出很强的电致发光(EL)性能，如图1c所示。由于发光面积较小，较小的器件需要较高的电流密度才能达到相当的亮度。
这些Micro-LED是通过先进的制造技术生产的，例如氢氧化四甲铵(TMAH)处理和原子层沉积(ALD)侧壁钝化，这些技术共同减少了侧壁损坏并最大限度地减少了漏电流。这使得UVCLED的开发能够在各种器件尺寸中具有卓越的性能。
图 1. 制造的 UVC micro-LED 的剖面图
【独立 UVC micro-LED 的特性】
独立的UVC micro-LED尺寸范围为3 µm至100 µm，对其电气和光学特性进行了表征。性能通过电流密度、电压特性、外量子效率（EQE）和光输出功率（LOP）来衡量。
图2a显示了各种器件尺寸的电流密度-电压(JV)特性。由于有效的钝化技术，器件的漏电流极小。图2b中与尺寸相关的EQE数据表明，较小的器件需要更高的电流密度才能实现峰值EQE，这表明其在高亮度应用中的使用潜力。较小的UVC micro-LED（例如3 µm器件）在70 A/cm²时实现了5.7%的显着峰值EQE。此外，图2c显示了EQE下降率，其中较小的器件表现出较小的下降，表明在较高电流密度下光输出更稳定。小型器件卓越的散热性能可减轻热退化，有助于其在高注入条件下的稳定性。图2d所示的光谱数据显示，随着电流密度的增加，波长变化最小，反映了较小设备中的高效传热。研究还指出，3 µm器件的LOP密度达到了创纪录的396 W/cm²，如图2e所示，使其适合UVC光刻应用。
图 2. 独立 UVC micro-LED 的特性
【并联 UVC micro-LED 阵列】
160 × 90 UVC micro-LED 阵列的开发代表了 UVC micro-LED 技术规模化的重大进步。该阵列的像素尺寸为 6 µm，以每英寸 2540 像素 (ppi) 的配置排列。背面反射层的加入增强了整个阵列的光提取和均匀性，确保了各个像素的一致性能。
图 3a展示了整个 UVC micro-LED 阵列的显微照片，其中每个像素并联连接，有助于提高电流分布均匀性。图 3c分析了阵列的电气特性，显示了不同像素上均匀的正向电压。图 3d所示的光发射光谱进一步证实了发射的均匀性，强度变化最小。
该 UVC micro-LED 阵列专为无掩模光刻而设计，其中均匀且高强度的光对于曝光光刻胶薄膜至关重要。该阵列在 8 A/cm² 的注入电流下实现了 4.1% 的 EQE 峰值，光功率输出为 16.6 mW，如图3e所示。图3f中显示的角度光分布显示出48.9°的窄视角，这对于需要高度准直光源的应用是有利的。
图 3. 并联 UVC micro-LED 阵列
【应用】
作者最终开发出了适用于图案转移应用（特别是无掩模光刻）的 320 × 140 UVC micro-LED 显示器。该显示器采用定制的倒装芯片接合工艺制造，每个像素尺寸为 9 µm，间距为 12 µm。该显示器由互补金属氧化物半导体 (CMOS) 驱动器驱动，能够精确控制光强度和图案生成。图 4a显示了安装在载体基板上的 Micro-LED 显示器，在整个阵列上提供均匀的光输出。图 4b-c展示了显示器在图案转移中的应用，其中光学显微镜图像显示了使用独立 UVC micro-LED 转移到光致抗蚀剂上的图案。图 4d-e中的表面轮廓证实光刻胶已完全曝光，台阶高度与预期厚度一致。Micro-LED 显示器成功地将复杂的图案转移到光刻胶上，如图 4f所示，其中产生了镜面写入结构。图 4g中的表面轮廓证实了精确的曝光，展示了显示器在高分辨率光刻应用中的潜力。
图 4. UVC micro-LED 显示器及其在图案转移方面的应用
【总结】
本文展示了高功率 UVC micro-LED 和大尺寸 UVC micro-LED 显示器的成功制造和表征，特别强调了它们在无掩模光刻中的应用。最小的 3 µm 器件实现了令人印象深刻的 5.7% 峰值 EQE 和 396 W/cm² 的 LOP 密度，为 UVC micro-LED 设定了新的性能基准。320 × 140 UVC micro-LED 显示器的开发为快速高效的光刻胶曝光提供了足够的光功率，为半导体制造中的无掩模光刻技术铺平了道路。
主要挑战仍然存在，例如提高外延晶圆的质量以进一步提高器件性能，以及开发更先进的制造技术以生产更高分辨率的 UVC micro-LED 显示器。未来的研究工作可能会集中在解决这些问题上，UVC micro-LED 有可能彻底改变光刻工艺，从而显着减少半导体制造的时间和成本。
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