深紫外微型LED技术在无掩模光刻中的应用

逍遥设计自动化

引言

6 ?; A4 j( ?& J+ p基于氮化铝镓(AlGaN)的深紫外(UVC)微型发光二极管(micro-LED)在半导体制造领域，特别是无掩模光刻应用中展现出显著优势。相比传统汞灯光源，这种技术具有更高效率、更长使用寿命和更低环境影响等特点，为半导体制造行业提供了更灵活、更经济的解决方案[1]。

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( B( G' x$ ~* Z器件结构与制造工艺

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图1：(a)翻转芯片UVC微型LED结构的截面示意图；(b)已制造的6×6 μm2 UVC微型LED阵列的扫描电镜图像
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' X  k. N8 o; \6 |3 xUVC微型LED的制造涉及多个精密工艺步骤。首先在商用外延片上进行加工，使用二氧化硅作为硬掩模进行台面光刻。制造过程中的关键步骤是采用感应耦合等离子体刻蚀与四甲基氢氧化铵(TMAH)处理相结合的混合刻蚀技术，这种方法可以实现精确的台面定义，提高辐射复合效率。
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0 x% C% c6 _5 ?. o$ v+ i1 P制造过程中的主要挑战是晶圆翘曲效应，高度超过100微米。这种翘曲源于AlGaN/AlN外延层与蓝宝石衬底之间的巨大压应变。为解决这个问题，制造商开发了专门的对准技术，使用激光切割的小型UVC晶圆片，以减小外延片与光掩模之间的高度差。
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) |( I! O7 _: ^. ]$ x# m. P金属接触的形成是另一个关键工艺步骤。对于n型接触，采用电子束蒸发在n-AlGaN表面沉积Ti/Al/Ni/Au，随后在氮气环境下950°C退火。p型接触则需要特别考虑UVC波长要求。与蓝光或绿光微型LED常用的氧化铟锡不同，UVC器件使用超薄Ni/Au层，在混合氮气和氧气环境下550°C退火，形成与p-GaN的欧姆接触。
性能特征

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图2：(a)电流密度-电压特性，(b)外量子效率，(c)峰值EQE和下降比，(d)发射光谱，(e)光功率密度测量结果

: Y$ a9 w0 g- Y% wUVC微型LED在不同器件尺寸下展现出优异的电学和光学特性。3微米的最小器件达到了5.7%的创纪录外量子效率，以及396 W/cm2的最大亮度。这种出色性能归功于多个因素，包括增强的电流扩展均匀性和由于表面积体积比增大而改善的散热性能。
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电流-电压特性表明，在相同正向偏置条件下，较小器件可以承受更高的电流密度。这种改善来自于减小的横向扩展长度和增强的电流扩展均匀性。由于TMAH处理和原子层沉积生长的侧壁钝化的有效性，器件在-5V反向偏置下的漏电流保持在仪器检测限以下。
9 D" z0 A3 F: b. w* `) v  [发射光谱特性

& z- b: n( S+ Y6 u& S% j% x发射光谱在不同工作条件下表现出稳定性能，波长漂移极小。峰值发射波长保持在270纳米左右，半高宽范围在16.3至20.8纳米之间。这种光谱稳定性对光刻应用特别重要，确保了图形转移的一致性。
大规模UVC微型LED阵列

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, k, t# A* v; J8 [& |图3：(a)整屏显微图，(b)正面电致发光图像，(c,d)像素行为特性，(e)EQE和光输出功率测量，(f)远场发光分布

2 B. Z: v' ]7 K/ Q, B" ]; [# f大规模UVC微型LED阵列的开发代表了这项技术的重要进展。这些阵列采用160 × 90像素配置，像素尺寸为6微米，间距为10微米，实现了每英寸2,540像素的高分辨率。并联连接架构与背面反射层的结合，确保了均匀发光和增强的正面光输出。

阵列在所有像素上展现出优异的电学和光学特性均匀性。正向电压变化保持最小，发光强度在整个阵列上显示出一致的分布。远场发光分布显示48.9度的窄视角，这种特性有利于光刻应用，与传统蓝光或绿光LED显示相比可以实现更好的光准直。
0 {9 N( C9 g/ }. n3 H6 r无掩模光刻实现

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+ c( m+ f+ [- y8 F( ]图4：(a)320 × 140 UVC微型LED显示屏，(b,c)光刻胶图形的光学显微镜图像，(d,e)表面轮廓，(f,g)无掩模光刻结果

UVC微型LED技术在无掩模光刻中的实际应用展现出显著能力。研发团队开发了高分辨率320 × 140 UVC微型显示系统，集成了定制CMOS驱动器以实现精确控制。系统采用近距离曝光方法，无需复杂的投影光学系统，同时保持高图形保真度。
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' g3 z7 n/ |' @在实际测试中，系统使用AZ MiR 703正性光刻胶展现出优异结果。曝光过程在数秒内完成完整的图形转移，在显影后的光刻胶中实现了1.1微米的一致台阶高度。这种快速曝光能力相比传统汞灯系统有显著提升，后者通常需要更长的曝光时间。
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. Z* K+ C; ]! Q/ F& Z系统在小特征尺寸方面表现突出。在1 kA/cm2注入电流下运行的10微米器件成功实现了图形转移，由于三维光扩散效应，需要约30秒的稍长曝光时间。即使是3微米的最小器件，经过5分钟曝光后也能产生0.5微米台阶高度的部分曝光图形。
( _" n4 U) c5 ?0 F技术挑战与解决方案

- d- @1 J8 H  m7 }/ t" Y电流扩展是最主要的技术难题之一，特别是在较大器件中。通过金属接触设计的优化和先进电流分布架构的实施解决了这个问题。结果表明，较小器件由于横向电流路径较短，自然获得更好的电流扩展。

热管理是另一个关键挑战，尤其在高电流工作条件下。解决方案包括多方面的散热方法。较小器件中增加的表面积体积比在热管理方面提供了天然优势。此外，采用导热性衬底的翻转芯片键合有助于从有源区高效传递热量。
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光提取效率通过多种创新方法得到显著提高。器件背面集成铝基反射层帮助重定向原本通过衬底损失的光。通过TMAH处理获得的略微倾斜侧壁，通过减少全内反射提高了光提取。这些改进共同促成了器件观察到的高外量子效率。
( k" U6 e/ h" ^2 Y& o4 t7 {未来发展

/ T* A( y5 C% h6 cUVC微型LED技术的进步为半导体制造带来了新机遇。已证实的高分辨率图形和快速曝光时间能力表明该技术在传统光刻之外还有更多应用潜力。这项技术特别适合小批量生产和快速原型制作。
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未来发展将聚焦于进一步提升器件性能和系统集成。改进的外延生长工艺可能带来更好的晶体质量，潜在减少非辐射复合中心并提高整体效率。先进的驱动电路和控制系统可能实现更复杂的图形生成能力，改进的光学系统可能进一步提高分辨率极限。
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& N. U) q3 H" ?8 n- m环境影响不容忽视。用固态UV光源替代基于汞的系统具有显著环境优势。此外，与无掩模工艺相关的材料浪费减少符合行业对可持续制造实践的日益关注。
4 y  D' M( `5 q6 B* X( K参考文献
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[1] F. Feng et al., "High-power AlGaN deep-ultraviolet micro-light-emitting diode displays for maskless photolithography," Nature Photonics, 2024, doi: 10.1038/s41566-024-01551-7.
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