新材料突破！微型OLED像素实现芯片光刻工艺制备

屏幕正变得尺寸更小、分辨率更高。增强现实眼镜、相机电子取景器就是典型例子，部分产品屏幕对角线不足1厘米（0.4英寸）。但屏幕像素越小，制造难度就越高。OLED非常适合制备超小像素。与传统发光二极管不同，OLED并非由晶体材料制成，而是采用碳基化合物。传统LED晶体尺寸缩小后亮度会下降，而有机发光材料能够制备出体积微小、亮度依旧出色的像素。

在此之前，有机发光材料无法适配半导体行业的高精度制造工艺。光刻是半导体行业常用工艺，工艺中会用到各类溶剂与化学品，这类物质会侵蚀、破坏有机分子。

兼具光刻胶功能的材料

苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员如今开发出适配光刻工艺的有机发光分子。团队制备出多种颜色的发光聚合物，这类材料兼具光刻胶功能，同时可以耐受严苛的化学环境。聚合物可直接涂布在半导体芯片上；受紫外线照射时，光刻胶会发生交联反应，以此实现精细几何图形的制备。

曾在苏黎世联邦理工开展研究、现任赫尔辛基大学教授的Yinyin Bao表示：“我们研发出一类新型长链分子，可通过直接曝光制备OLED像素。” 他与苏黎世联邦理工学院Chih-Jen Shih教授共同主导这项研究。

基于新型聚合物通过光刻形成的光图案

发光内核+保护外壳

为保护敏感的发光分子免受腐蚀性化学物质破坏，研究人员基于核壳结构原理设计了一种分子复合物。分子中心为发光单元，外围呈星型排布多条分子支链，支链末端可对紫外线产生响应。紫外光照射后，不同星型分子的支链之间发生交联，被照射区域的材料将变为不可溶，这正是光刻工艺所利用的特性。

支链的内侧部分同样承担关键作用：将反应活性端与发光分子隔开，实现保护效果。来自墨尔本RMIT大学的论文共同作者借助计算机模拟，进一步验证了该保护机制。

Shih解释道：“我们在空间上将两种功能分开。发光分子被保护在内部，具备反应活性的交联基团置于外侧。这样光刻过程中光刻胶发生反应时，不会对发光内核造成明显损伤。”

迄今分辨率最高的多色荧光图案

研究团队制作了一幅金刚鹦鹉高分辨率图像，以此验证该工艺对不同颜色发光材料的图形化加工精度。图像尺寸为300×430微米，包含250×350个像素。

这幅静态图像由荧光色彩构成，尚不能作为显示屏使用。像素依靠外部光源激发产生荧光，并非电驱动发光。这也是目前利用光刻技术制作出的分辨率最高的多色荧光图像。

研究人员还利用另一组测试图案证明，该工艺可以制备电驱动发光二极管：一幅尺寸1毫米 ×2.4毫米、能够发光的ETH校徽。这项工作由团队与苏黎世联邦理工电子学Hua Wang教授课题组合作完成。

由微型发光二极管构成的ETH校徽，尺寸1×2.4毫米。

下一步，研究团队计划进一步缩小发光二极管的像素尺寸。想要做出可正常工作的屏幕，还需要配套电路，实现对每个像素的独立控制。

在Shih看来，这项技术除了小型屏幕之外，还有其他应用潜力，可用于医疗微型光源、生物与神经科学研究设备。“借助这项技术，我们能够在需要的位置，小规模、高精度地生成光源。”Shih说道。

微型OLED可应用在科研设备中，用于观测单个生物细胞，或是用光刺激培养皿内的神经细胞。这类体积微小、可精准控制的光源能够直接集成在微芯片上，在显微设备与传感器领域同样具备应用价值。