光刻技术在集成电路芯片制作的完整过程中扮演着至关重要的角色，是现代半导体、微电子及信息产业的关键核心技术之一。在芯片制作的完整过程中，光刻工艺的费用占总加工成本的约30%，耗费时间约45%。传统光刻技术包括光学光刻、极紫外光刻和X射线光刻等，均需依赖掩模板来控制光的传播路径，从而将图案精确投射到感光材料上并精准复现在半导体晶圆上，最终实现芯片微纳结构的加工与制造。然而，这类技术不可避免地增加了芯片制造的复杂性和成本，且由于传统光刻机高昂的成本和复杂的系统构造，我国在光刻有关技术领域一直受制于国外的封锁和技术垄断。
在本次研究中，团队利用深紫外micro-LED具备的超小尺寸、超高亮度、长寿命及低功耗等优势，进一步开发了集自监测、自校准、自适应功能于一体的深紫外显示光电集成芯片，并应用于无掩膜深紫外光刻系统，实现了国际上利用该新型紫外光源进行无掩膜光刻技术的探索。在追求高效率、小尺寸深紫外micro-LED及其阵列的研究基础上，团队提出了一种集深紫外micro-LED阵列发光与光电探测器与一体的三维垂直集成芯片架构，如图1(a)-(b)所示。在该三维垂直集成架构中，深紫外micro-LED阵列向下发射的紫外光子可以穿透过透明的蓝宝石衬底并被衬底背面的紫外探测器捕获，以实现LED和探测器之间的“光子互连与集成”，从而进行高效的光信号传输。此外，通过搭建外部电路反馈系统，如图1(c)，团队展示了深紫外micro-LED阵列光输出单位体积内的包含的能量的自发稳定和自动校准。最终，该系统不但可以监测阵列器件光输出单位体积内的包含的能量随时间的波动变化，还可以不断提供反馈信号以确保恒定的光输出功率和光功率密度。这种高功率密度、高稳定性、高集成度和低功耗微型紫外光源的提出，为最终实现紧凑、便携式和低成本无掩膜深紫外光刻技术打下扎实的光源基础。
图1.(a)深紫外micro-LED与光电探测器(PD)三维垂直集成芯片架构。(b)深紫外LED外延层与薄膜光电探测器截面的扫描电子显微镜图像。(c)基于双面垂直集成器件搭建的具有自校准、自监测功能的稳定发光系统示意图
如图2(a)所示，基于所搭建的电路反馈系统，可以明显的观察到未加入系统反馈的深紫外micro-LED阵列的发光强度跟着时间的推移逐渐降低;反观加入具有自监测和自校准反馈功能的器件仍就保持较高的发光强度，能轻松实现长期稳定运行。同时，基于该反馈系统展示了一个具有564 PPI高像素密度的集成深紫外micro-LED阵列，利用该集成阵列持续稳定的显示字母“U”，并对旋涂有SPR955光刻胶的硅片进行深紫外无掩膜光刻工艺进行曝光，显影后成功地在硅片上显示出清晰的“U”型图案，如图2(b)-2(d)所示。该研究充分展示了传统microLED技术不仅在高清晰显示领域有着非常大的应用基础，同时在高分辨、高精度光刻技术领域也具备重要的应用潜力。
图2.(a)无反馈信号与加入反馈信号的深紫外micro-LED阵列随时间变化的发光照片。(b)制备的micro-LED阵列的倾斜扫描电子显微图像。(c)显示“U”的深紫外micro-LED阵列光学图像。(d)经过显影后，硅衬底上光刻胶(SPR955)的光学图像。
综上，该研究提出了一种集深紫外micro-LED阵列发光与光电探测器与一体的三维垂直集成芯片架构，实现了宽禁带半导体铝镓氮(AlGaN)基发光阵列与光电探测器通过透明蓝宝石衬底进行了垂直光电集成，并展示了一种在单个芯片上实现垂直光子互联的可能性。通过此集成系统，不仅突破了传统单片光电集成系统大部分只可以通过水平方向或者在衬底(硅、蓝宝石等)的同一晶面上进行光互联和器件集成的局限性，更借助此输出功率恒定的新型发光器件阵列架构，展示了其在无掩模光刻技术方面的应用潜力，并为未来发展高集成度、功能多元的三维光电集成系统奠定了基础。
下一步，团队将着力攻关如何进一步缩小单颗micro-LED和探测器的器件尺寸和几何形貌，提升单位面积内器件阵列的密度和集成度，并优化器件的单颗性能和在大晶圆上的性能均一性，为下一步实现更高精度的无掩膜紫外光刻技术打下基础。同时，团队所提出的巧妙利用透明蓝宝石衬底构建发光和探测一体化三维垂直集成芯片架构，也为研制高集成度光子芯片提供了一条新的路径和解决方案，使其能广泛的适用于包含三维集成光电系统、无掩膜光刻在内的各种光电集成系统等应用场景。
此项研究工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国科大双一流建设经费、中央高校基本科研基金等专项经费的资助，也得到中国科大微电子学院、中国科大微纳研究与制造中心和安徽省格恩半导体公司的支持。中国科学技术大学孙海定教授为论文通讯作者，博士后余华斌和硕士研究生姚继凯为论文的共同第一作者，武汉大学刘胜院士为本项目的顺利展开提供了方向性和应用指导。
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