Chip được tạo hoa văn bằng ánh sáng: Vật liệu mới biến chính photoresist thành pixel OLED biết tự phát sáng

Ngành bán dẫn thu nhỏ transistor bằng một công cụ mà OLED lâu nay không thể dùng trực tiếp: photolithography. Ánh sáng chiếu lên photoresist để tạo một hoa văn hóa học, rồi hoa văn đó hướng dẫn các bước khắc, lắng đọng hoặc loại bỏ vật liệu tiếp theo. Với lớp phát sáng hữu cơ của OLED, chính các dung môi và phản ứng trong quy trình này lại có thể phá hỏng phân tử tạo ánh sáng.

Một nhóm tại ETH Zurich vừa thay đổi cách đặt bài toán. Thay vì phủ photoresist lên trên vật liệu OLED rồi tìm cách bảo vệ lớp phát sáng bên dưới, họ làm cho chính vật liệu phát sáng trở thành photoresist. Công trình, công bố trên Nature ngày 16/9/2026, mô tả một họ polymer có thể được tạo hình trực tiếp bằng tia cực tím hoặc electron beam, đồng thời vẫn hoạt động như lớp phát quang trong OLED.

Nhóm gọi vật liệu này là electroluminescent photoresist, hay ELPR. Trong thử nghiệm, họ tạo được các hoa văn huỳnh quang có kích thước tới 110 nm và chế tạo OLED đa màu bằng quang khắc với hiệu suất lượng tử ngoài cực đại vượt 13%. Điểm đáng chú ý không chỉ là pixel nhỏ hơn, mà là khả năng đưa lớp phát sáng hữu cơ vào cùng họ quy trình tạo mẫu đã giúp chip silicon thu nhỏ suốt nhiều thập kỷ.

“Khắc chip bằng ánh sáng” thực ra diễn ra như thế nào?

Nói chip được “khắc bằng ánh sáng” là một cách rút gọn. Trong photolithography, ánh sáng không trực tiếp khoét silicon. Một wafer trước tiên được phủ lớp photoresist nhạy sáng. Ánh sáng chiếu qua mask hoặc hệ quang học làm thay đổi độ hòa tan của những vùng xác định trên resist. Sau bước hiện hình, lớp resist còn lại trở thành mặt nạ cho những công đoạn như etching, ion implantation hoặc deposition.

Ưu điểm của quy trình này là độ chính xác và khả năng lặp lại. Nhiều lớp có thể được căn chỉnh chồng lên nhau trên cùng wafer, cho phép ngành bán dẫn tạo những cấu trúc ngày càng nhỏ và tích hợp chúng thành mạch phức tạp.

OLED lại nằm ngoài hệ sinh thái đó. Vật liệu phát sáng hữu cơ thường được đặt lên nền bằng bốc bay chân không qua fine metal mask hoặc bằng các kỹ thuật in. Những cách này phù hợp với màn hình, nhưng khi pixel được thu nhỏ sâu xuống thang micromet và nanomet, độ phân giải của quá trình tạo lớp phát sáng trở thành một nút thắt.

Photoresist mới không chỉ làm mặt nạ — nó ở lại và phát sáng

ELPR đảo vai trò truyền thống của photoresist. Thông thường resist là vật liệu phụ: nó giúp tạo hình rồi bị loại bỏ. Trong nghiên cứu của ETH Zurich, phần còn lại sau quang khắc chính là vật liệu chức năng tạo ánh sáng.

Để làm được điều đó, nhóm thiết kế polymer nhiều nhánh có hình học giống một ngôi sao. Ở lõi là phân tử phát sáng theo cơ chế thermally activated delayed fluorescence (TADF). Bao quanh lõi là vùng polymer giúp cách ly emitter. Các đầu nhánh phía ngoài mang những nhóm có thể liên kết chéo khi được chiếu UV hoặc electron beam.

Cách tách không gian này giải quyết một mâu thuẫn hóa học. Photoresist phải đủ phản ứng để thay đổi tính chất khi phơi sáng, trong khi phân tử phát quang cần được bảo vệ khỏi những phản ứng đó. Nhóm đặt chức năng phát sáng ở tâm và chức năng photocrosslinking ở ngoại vi. Khi vùng polymer được chiếu sáng, các nhánh liên kết với nhau thành mạng không tan; phần không được phơi sáng có thể được rửa đi.

Chih-Jen Shih, giáo sư ETH Zurich và đồng tác giả dẫn dắt nghiên cứu, mô tả nguyên tắc này là tách hai chức năng theo không gian: lõi phát sáng được bảo vệ bên trong, còn các nhóm phản ứng nằm phía ngoài. Mô phỏng từ các cộng sự tại RMIT University được dùng để khảo sát thêm hiệu ứng bảo vệ này.

Từ ba màu tới hoa văn 110 nm

Nhóm tổng hợp các ELPR phát đỏ, xanh lá và xanh dương rồi thực hiện nhiều vòng quang khắc liên tiếp trên cùng một bề mặt. Đây là yêu cầu quan trọng đối với màn hình màu: lớp tạo trước phải chịu được dung môi và quá trình xử lý dùng để tạo lớp tiếp theo.

Để minh họa độ phân giải, họ tạo một ảnh con vẹt macaw rộng khoảng 300 × 430 µm, gồm 250 × 350 điểm ảnh màu. Kích thước của toàn bộ hình chỉ vào khoảng vài phần mười milimet. Với electron-beam lithography, vật liệu còn được tạo thành các nanodisk huỳnh quang và những cấu trúc có critical dimension nhỏ nhất khoảng 110 nm.

Nhưng hai con số này cần đọc đúng. Hình con vẹt là ảnh huỳnh quang tĩnh: các điểm màu được kích thích bằng ánh sáng từ bên ngoài. Cấu trúc 110 nm cũng là nanopattern huỳnh quang, không phải một màn hình OLED với từng pixel 110 nm được cấp điện độc lập.

OLED phát sáng bằng điện hiện vẫn ở 30 µm

Để chứng minh ELPR không chỉ phát huỳnh quang mà thực sự có thể làm lớp phát sáng trong diode, nhóm chế tạo OLED đa màu bằng quang khắc UV. Mảng thử nghiệm sử dụng các pixel tròn đường kính 30 µm và tạo thành logo ETH rộng khoảng 1 × 2,4 mm.

Với ELPR xanh lá, thiết bị đạt hiệu suất lượng tử ngoài cực đại 13,3%. Abstract của paper báo cáo các OLED đa màu tạo bằng UV lithography có EQE vượt 13%, trong khi nhóm nhấn mạnh rằng những vật liệu phát sáng có thể photopattern trực tiếp trước đây thường phải đánh đổi mạnh về hiệu suất.

Khoảng cách từ 30 µm xuống 110 nm cho thấy giới hạn hiện tại nằm ở hai tầng khác nhau. Vật liệu đã chứng minh có thể được tạo hoa văn ở kích thước nanomet; còn biến những hoa văn đó thành diode hoàn chỉnh, cấp điện ổn định và điều khiển từng điểm ảnh riêng là bài toán thiết bị khó hơn.

Vì sao khả năng dùng chung “ngôn ngữ chế tạo” với CMOS quan trọng?

Trong một microdisplay, lớp phát sáng không tồn tại một mình. Mỗi pixel cần mạch transistor phía dưới để chọn pixel, giữ điện áp và điều khiển dòng. Với micro-OLED hiện nay, phần backplane CMOS và phần phát sáng hữu cơ được chế tạo bằng những quy trình rất khác nhau rồi phải ghép lại với độ căn chỉnh cao.

Nếu lớp phát sáng có thể được pattern bằng lithography trên cùng nền, về nguyên tắc việc tích hợp quang điện tử đơn khối trở nên trực tiếp hơn. Đây là lý do paper đặt vấn đề không chỉ ở màn hình độ phân giải cao mà còn ở monolithic optoelectronic integration: đưa nguồn phát sáng, mạch điều khiển và các chức năng quang học lên cùng một chip bằng những kỹ thuật chế tạo tương thích hơn.

Ứng dụng dễ hình dung nhất là microdisplay cho kính AR và electronic viewfinder, nơi diện tích hiển thị rất nhỏ nhưng mật độ pixel phải cao. ETH Zurich cũng nêu các khả năng khác như nguồn sáng vi mô cho microscopy, sensor, nghiên cứu tế bào hoặc kích thích neuron trong đĩa nuôi cấy. Những hướng này chưa được chứng minh trong nghiên cứu hiện tại, nhưng đều cần nguồn sáng nhỏ và có thể đặt chính xác trên chip.

Photoresist phát sáng vẫn chưa có độ bền của OLED thương mại

Đưa chức năng quang khắc vào polymer tạo ra những đánh đổi mới. Paper cho biết các nhóm crosslinkable làm giảm photoluminescence quantum yield ở một số cấu hình, cho thấy môi trường điện môi và tương tác giữa phần phản ứng với lõi TADF vẫn ảnh hưởng tới hiệu suất phát sáng.

Độ ổn định vận hành cũng còn thấp. Với hệ ELPR xanh lá đã được xử lý để giảm tạp đồng, nhóm báo cáo LT50 khoảng 146 phút ở mật độ dòng 2,4 mA/cm². LT50 là thời gian để độ sáng giảm còn một nửa giá trị ban đầu trong điều kiện thử nghiệm. Các tác giả cho rằng tạp kim loại còn sót lại từ quá trình tổng hợp polymer và kiến trúc các lớp vận chuyển điện tích là những yếu tố đang hạn chế tuổi thọ.

Thiết bị có thể chịu những xung dòng lớn trong thời gian ngắn, nhưng paper phân biệt rõ điều này với vận hành liên tục: hoạt động dài hạn hiện bị giới hạn ở khoảng 10 mA/cm² hoặc thấp hơn để giảm gia nhiệt Joule và tránh đánh thủng sớm.

Bước tiếp theo là biến “hoa văn biết sáng” thành màn hình thực sự

ETH Zurich cho biết nhóm muốn tiếp tục giảm kích thước của các diode phát sáng bằng điện. Một màn hình hoàn chỉnh còn cần backplane cho phép từng pixel được điều khiển độc lập; demo hiện tại chưa thực hiện phần đó.

Vì vậy, mốc 110 nm chưa nên được đọc như một OLED 110 nm sẵn sàng sản xuất. Thành tựu hiện tại cơ bản hơn nhưng cũng thú vị hơn về mặt chế tạo: nhóm đã chứng minh một vật liệu hữu cơ có thể đồng thời đóng vai trò photoresist và emitter, chịu được các vòng quang khắc tuần tự mà vẫn phát sáng.

Nếu tuổi thọ, độ dẫn điện và quy trình tích hợp tiếp tục được cải thiện, phần phát sáng của OLED có thể không còn là lớp phải được “đưa vào” sau khi chip đã làm xong. Nó có thể trở thành một vật liệu được viết trực tiếp bằng chính những công cụ lithography vốn dùng để tạo phần điện tử phía dưới.

Nguồn: Nature — Electroluminescent photoresists extending lithographic scaling to OLEDs; ETH Zurich Nanomaterials Engineering Research Group; ETH Zurich — Tiny OLED pixels can be manufactured like microchips.