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香港科技大學(xué)（港科大）工學(xué)院成功研發(fā)一款全球首創(chuàng)的深紫外Micro LED顯示陣列晶元，此高光效晶元可配合無掩模紫外光光刻技術(shù)，提升其光輸出功率密度準(zhǔn)確性，并以較低成本及更速效的方法推動(dòng)半導(dǎo)體晶片生產(chǎn)的技術(shù)發(fā)展。

這項(xiàng)研究由港科大先進(jìn)顯示與光電子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始主任郭海成教授指導(dǎo)，并與南方科技大學(xué)和中國科學(xué)院蘇州納米所合作。 

是次研究由港科大先進(jìn)顯示與光電子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始主任郭海成教授（中）指導(dǎo)，研究團(tuán)隊(duì)核心成員馮鋒博士（左）為第一作者，團(tuán)隊(duì)亦包括劉弈镈博士（右），兩位均為港科大電子及計(jì)算機(jī)工程學(xué)系的博士后研究員。

光刻機(jī)是用以制造半導(dǎo)體的重要設(shè)備，它利用短波長的紫外光構(gòu)成不同圖案，從而生產(chǎn)出各種集成電路晶片。然而，這種運(yùn)用傳統(tǒng)汞燈和深紫外LED光源的制作有不足之處，例如器件尺寸大、解析度低、能源消耗高、輸出的光效低且功率密度不足，不利于晶片制作。 

為了解決上述難題，研究團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)無掩模光刻原型機(jī)平臺(tái)，利用它制作了首個(gè)由深紫外Micro LED無掩模曝光的Micro LED顯示陣列晶元。過程中提高了紫外光萃取效率、增強(qiáng)其熱分布效能，并改善了晶體外延的應(yīng)力釋放。 

上圖的電致發(fā)光圖像顯示出其光輸出質(zhì)量高，測(cè)試在日常運(yùn)作電流密度的范圍內(nèi)，晶元都能提供穩(wěn)定的光輸出，即使是細(xì)小至三微米的器件中亦然。下圖顯示深紫外microLED顯示陣列晶元能提供穩(wěn)定的光輸出功率，成功顯出影像供圖案轉(zhuǎn)移使用。

郭教授特別提到：「團(tuán)隊(duì)制作的Micro LED顯示陣列晶元成功實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)突破，包括提高了光源的功率及效能、圖案顯示解析度、提升熒幕性能及快速曝光能力。此Micro LED顯示晶元有效地將紫外光源和掩模版上的圖案融為一體，迅速地提供足夠的輻照劑量為光阻劑進(jìn)行光學(xué)曝光，推進(jìn)半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展。」

郭教授進(jìn)一步指出：「近年來，低成本、高精度的無掩模光刻技術(shù)已成為半導(dǎo)體行業(yè)的新興研發(fā)熱點(diǎn)。由于這種技術(shù)能夠更靈活調(diào)整曝光圖案，從而提供更多樣化的定制選項(xiàng)，并節(jié)省制造光刻掩模版的成本。因此，對(duì)于自主開發(fā)半導(dǎo)體設(shè)備而言，有助提高光阻劑敏感度的短波長Micro LED技術(shù)顯得尤為關(guān)鍵。」

港科大電子及計(jì)算機(jī)工程學(xué)系博士后研究員馮鋒博士總結(jié)道：「與其他具代表性的研究相比，我們實(shí)現(xiàn)了更小的器件尺寸、更低的驅(qū)動(dòng)電壓、更高的外量子效率、更高的光功率密度、更大規(guī)模的陣列尺寸，以及更高的顯示解析度。這些都是關(guān)鍵的性能提升，各項(xiàng)指標(biāo)均顯示，本研究的成果領(lǐng)先全球。」

論文題為「High-Power AlGaN Deep-Ultraviolet Micro-Light-Emitting Diode Displays for Maskless Photolithography」，全文刊登于頂尖期刊《自然光子》。自發(fā)表以來，本研究在業(yè)界內(nèi)獲得廣泛認(rèn)可，并于「第十屆國際第三代半導(dǎo)體論壇」被評(píng)為2024年度中國第三代半導(dǎo)體技術(shù)十大進(jìn)展之一。

展望下一階段的研究，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)提升AlGaN深紫外Micro LED的各項(xiàng)性能，并改進(jìn)原型機(jī)，開發(fā)2k至8k高解析度的深紫外Micro LED顯示熒幕。

本研究的第一作者為馮鋒博士，通訊作者則為港科大電子及計(jì)算機(jī)工程學(xué)系的客席副教授兼南方科技大學(xué)副教授劉召軍。團(tuán)隊(duì)成員還包括港科大電子及計(jì)算機(jī)工程學(xué)系的博士后研究員劉弈镈博士、博士畢業(yè)生張珂博士，以及來自各合作機(jī)構(gòu)的研究人員。