Команда под руководством профессора Сунь Хайдина из Китайского университета науки и технологий (USTC) разработала вертикально интегрированный микроскопический массив светоизлучающих диодов (микро-светодиодов), который затем был впервые применён в системе безмасочной фотолитографии в глубоком ультрафиолетовом диапазоне (DUV).
Фотолитография играет важнейшую роль в производстве микросхем интегральных схем и является одной из ключевых технологий в полупроводниковой и микроэлектронной промышленности. С 1990-х годов система безмасочной фотолитографии с низкой стоимостью и высоким разрешением стала центром передовых исследований в области литографии. Однако патенты на эту передовую технологию в основном принадлежат Европе, США, Японии и Южной Корее, что создаёт значительные технологические барьеры.
В этом контексте команда профессора Суна по iGaN на протяжении многих лет проводила обширные исследования DUV-микросветодиодов и предложила инновационную систему безмасочной фотолитографии с использованием массива DUV-микросветодиодов в качестве источника света. Они систематически разрабатывали и оптимизировали эпитаксиальную структуру, размеры устройства, профиль боковой стенки и геометрическую форму DUV-микросветодиода, значительно повысив его энергоэффективность, полосу пропускания и многофункциональность в области обнаружения ультрафиолетового света, создания изображений и датчиков. Опираясь на это, команда успешно разработала матричную систему на основе этих микросветодиодов.
В этой работе команда предложила и изготовила интегрированный чип для DUV-дисплея, используя преимущества сверхмалых размеров и сверхвысокой яркости DUV-микросветодиодов. Они предложили трёхмерную вертикально интегрированную архитектуру устройства с массивом DUV-микросветодиодов на основе AlGaN и фотодетектором (PD) на основе оксида цинка (ZnO), расположенными рядом на прозрачной сапфировой подложке. В этой архитектуре ультрафиолетовые фотоны, испускаемые матрицей микросветодиодов DUV, могут проникать через прозрачную сапфировую подложку и улавливаться фотодиодом на обратной стороне подложки, обеспечивая эффективную передачу оптического сигнала.
Кроме того, команда разработчиков создала самостабилизирующуюся систему люминесценции с обратной связью по замкнутому контуру на основе вертикально интегрированного устройства. Эта система может не только отслеживать колебания интенсивности выходного света массива микросветодиодов, но и обеспечивать непрерывную обратную связь для поддержания стабильной выходной мощности.
Результаты испытаний показали, что устройство с системой самостабилизации поддерживает высокую интенсивность освещения и долговременную стабильность, в то время как интенсивность освещения устройства без обратной связи со временем постепенно снижается.
Используя систему обратной связи, команда продемонстрировала матрицу микросветодиодов DUV с высокой плотностью пикселей — 564 пикселя на дюйм (PPI) — и успешно отобразила чёткий рисунок на кремниевой пластине после безмасочной фотолитографии DUV, что указывает на потенциал технологии фотолитографии с высоким разрешением. Это первая демонстрация безмасочной фотолитографии DUV на основе активной матрицы микросветодиодов DUV.
В ходе этого исследования было разработано новое интегрированное устройство, объединяющее микросветодиодную матрицу DUV и фотодиод, демонстрирующее значительные перспективы применения в будущих системах безмасочной фотолитографии. Это также закладывает основу для дальнейшего развития высокоинтегрированных и многофункциональных 3D оптоэлектронных интеграционных систем.
На следующем этапе команда сосредоточится на дальнейшем уменьшении размеров отдельных микросветодиодов и фотодиодов, тем самым повышая плотность и интеграцию массивов на единицу площади. Они также оптимизируют производительность отдельных устройств и однородность больших пластин, открывая путь к более высокой точности в технологии безмасочной фотолитографии.