晶圓鍵合技術(shù)在LED應(yīng)用中的研究進(jìn)展（一）

0  引言

       發(fā)光二極管(light-emittingdiode，LED)照明是利用半導(dǎo)體的電致發(fā)光發(fā)展而來的固態(tài)照明技術(shù)。自1907年第一只發(fā)光二極管問世，到20世紀(jì)90年代，人們對(duì)LED的研究進(jìn)展緩慢，期間使用GaAs和InP等第二代半導(dǎo)體材料為光源的LED僅應(yīng)用在光電探測及顯示領(lǐng)域。直到20世紀(jì)90年代中期，日本的中村修二發(fā)明了世界上第一只超高亮度的GaN基LED［1］，照明領(lǐng)域的大門才向LED打開。GaN作為繼第一代半導(dǎo)體材料Si，Ge和第二代半導(dǎo)體材料GaAs，InP等之后的第三代半導(dǎo)體材料，因其出色的光電性能獲得了空前關(guān)注和研究熱度。GaN是一種寬禁帶(3.4eV)直接帶隙半導(dǎo)體，其三元化合物InxGa1－xN的禁帶寬度可在0.7～3.4eV間變化［2］，相應(yīng)的光譜波長可覆蓋從紫外(波長365nm)到近紅外(波長1770nm)部分，因此GaN成為光電器件中最重要的半導(dǎo)體材料，得到了廣泛的研究，高亮度GaN基LED如今已被廣泛應(yīng)用到照明、手機(jī)及全色顯示設(shè)備等諸多領(lǐng)域之中。

       目前，GaN基LED主要采用在異質(zhì)襯底上外延生長工藝，其常見的襯底材料有SiC，Si和藍(lán)寶石，而它們與GaN間都存在晶格失配的問題，失配率分別為3.36%，16.9%［3］和13.8%。由于SiC襯底的成本較高，Si與GaN晶格失配嚴(yán)重，使得藍(lán)寶石成為性價(jià)比高的襯底材料。但藍(lán)寶石襯底不導(dǎo)電，導(dǎo)熱性能也很差，使傳統(tǒng)正、倒裝LED的p電極和n電極只能位于藍(lán)寶石襯底的同一側(cè)。這種結(jié)構(gòu)需要犧牲器件部分發(fā)光區(qū)來刻蝕出n電極，且芯片工作時(shí)電流水平分布，易造成電流擁擠，會(huì)降低器件的發(fā)光效率并引發(fā)可靠性問題。隨著LED朝著大功率方向發(fā)展，芯片結(jié)溫越來越高，當(dāng)芯片結(jié)溫超過80℃時(shí)，LED的發(fā)光強(qiáng)度將出現(xiàn)大衰減，同時(shí)會(huì)降低LED的使用壽命。因此，傳統(tǒng)的水平結(jié)構(gòu)LED散熱不良成為限制其發(fā)展的主要原因。為解決以上問題，則需要將GaN外延層轉(zhuǎn)移到具有良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的襯底上。如，將Cu、Si等作為受體襯底與GaN外延層鍵合，再使用激光剝離(LLO)技術(shù)移除藍(lán)寶石襯底，這樣便能將p，n電極分別沉積到襯底的兩側(cè)，將這種結(jié)構(gòu)的LED稱為垂直結(jié)構(gòu)LED［4］。垂直結(jié)構(gòu)LED散熱性能強(qiáng)，且異側(cè)的電極結(jié)構(gòu)能有效避免電流擁擠，成為各類應(yīng)用的更佳選擇。晶圓鍵合技術(shù)（晶圓鍵合機(jī)）是制備垂直LED芯片的關(guān)鍵工藝，其優(yōu)越性體現(xiàn)在能給受體襯底更多的選擇性且工藝過程簡單，LED應(yīng)用也因此得到了各方面拓展，如柔性襯底LED［5］和微LED等。晶圓鍵合技術(shù)可分為有中間介質(zhì)層鍵合和無中間介質(zhì)層鍵合，其中常見的粘合劑鍵合和金屬鍵合屬于有中間介質(zhì)層鍵合，直接鍵合屬于無介質(zhì)層鍵合。

1  晶圓鍵合技術(shù)在LED中的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 黏合劑鍵合

       黏合劑晶圓鍵合（晶圓鍵合機(jī)）是一種重要的鍵合技術(shù)，即將有機(jī)黏合劑置于兩晶圓表面之間，后經(jīng)固化處理形成具有一定鍵合強(qiáng)度的中間層，從而使兩晶圓緊密貼合。該方法具有工藝簡單、成本低、引入應(yīng)力小、鍵合溫度(tB)低、對(duì)表面形貌要求低及鍵合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)微電子制造領(lǐng)域。

       傳統(tǒng)黏合劑［7］一般是由有機(jī)介質(zhì)、溶劑、助劑及填充劑物組成，固化溫度大多為150℃左右［8］。常用的有機(jī)介質(zhì)有環(huán)氧樹脂、硅樹脂、丙烯酸樹脂及聚酰亞胺等，其中環(huán)氧樹脂能提供更強(qiáng)的黏附力，而硅樹脂能提供更高的熱穩(wěn)定性。溶劑的沸點(diǎn)應(yīng)高于黏合劑的固化溫度，避免在固化過程中產(chǎn)生氣泡。助劑的作用是提升黏合劑的性能，如黏附力和黏性等。填充物能改善黏合劑的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，常用的填充物有石墨、陶瓷及金屬微粒等。

       黏合劑晶圓鍵合的一般步驟為:①清洗和干燥待鍵合晶圓的表面;②在晶圓對(duì)的一個(gè)或兩個(gè)表面均勻旋涂黏合劑，黏合劑厚度應(yīng)能夠補(bǔ)償晶圓表面的顆?；蛉毕?③預(yù)固化黏合劑;④將晶圓對(duì)對(duì)正貼合并置于真空腔室，在一定壓強(qiáng)和特定溫度下固化黏合劑;⑤吹掃腔室，冷卻以及釋放鍵合壓強(qiáng)。圖1為使用環(huán)氧樹脂黏合劑鍵合GaN和Si的截面SEM檢測圖像［9］。根據(jù)不同黏合劑和具體應(yīng)用，可以增加一些其他合適的工藝步驟，如在垂直LED的制備中需要使黏合劑層導(dǎo)電，有時(shí)會(huì)對(duì)黏合劑圖形化處理。W．C．Peng等人［10］在Si襯底上旋涂多環(huán)芳香烴作為黏合劑，并在黏合劑中填充金屬接線柱使鍵合層導(dǎo)電，與GaN基LED外延片在200℃、恒壓(1MPa)條件下鍵合60min，之后使用LLO技術(shù)剝離藍(lán)寶石襯底，在剝離過程中沒有引發(fā)GaN的脫落和破裂，表明該法得到的鍵合強(qiáng)度滿足后續(xù)LLO工藝要求。以耐高溫的有機(jī)膜為鍵合層，能避免LED反射層金屬在高溫下與鍵合層反應(yīng)，有利于提高LED的光提取效率。最終制備出的垂直LED芯片(如圖2所示)在20mA電流下的光輸出功率比傳統(tǒng)藍(lán)寶石襯底LED高出20%，其正常工作電流也由180mA提升至280mA。

圖1  使用環(huán)氧樹脂的GaN/Si鍵合界面截面圖

圖2  鍵合層帶有金屬接線柱的垂直LED結(jié)構(gòu)示意圖

       實(shí)現(xiàn)黏合劑導(dǎo)電更有效的方法是在黏合劑中填充金屬微粒，基于金屬填充的黏合劑導(dǎo)熱性能優(yōu)異，其熱傳導(dǎo)率可以達(dá)到120W/(m·K)，更有利于器件散熱。H．Y．Kuo等人［11］在柔性不銹鋼襯底表面旋涂厚度為20μm的彈性導(dǎo)電黏合劑(elas-ticconductiveadhesive，ECA)，在180℃下持續(xù)15s，完成與GaN基LED的鍵合。ECA是由環(huán)氧樹脂和Ni包被的微球共同組成的，玻璃化溫度為130℃。通過使用ECA鍵合技術(shù)結(jié)合LLO技術(shù)所制備的GaN基柔性垂直LED(flexibleverticalLED，F(xiàn)VLED)顯示出了優(yōu)良的性能:主波長－電流(λd-I)及光輸出強(qiáng)度－電流－電壓(L-I-V)特性在器件受到外力折彎時(shí)僅發(fā)生微弱變化，幾乎可以忽略不計(jì)，表明ECA在器件受到外力時(shí)有良好的緩沖性能。面積為600μm×600μm的FVLED芯片與傳統(tǒng)LED芯片相比，120mA電流下光輸出強(qiáng)度(功率)提升216%(80%)，正向電壓由3.51V降低到3.3V。

       最近，W.S.Choi等人［12］使用WINNOVA公司生產(chǎn)的導(dǎo)電黏合劑和導(dǎo)電柔性襯底(結(jié)構(gòu)示意圖見圖3)在室溫下制備了性能更加優(yōu)越的FVLED，所用襯底是由Ni包被的碳纖維織物。該FVLED與傳統(tǒng)的聚酰亞胺襯底FVLED相比，光輸出功率穩(wěn)定性得到顯著提升，且注入電流在950mA以內(nèi)時(shí)，光輸出功率隨注入電流的增加呈線性增長趨勢，而后者的光輸出功率在注入電流大于200mA時(shí)便出現(xiàn)衰減。

圖3  WINNOVA公司生產(chǎn)的導(dǎo)電黏合劑和襯底結(jié)構(gòu)示意圖

       實(shí)際上，由于有機(jī)黏合劑模量低，使用有機(jī)黏合劑鍵合（晶圓鍵合機(jī)）將引入很少的應(yīng)力，在制備柔性襯底LED上有很大優(yōu)勢。但在非柔性襯底器件的應(yīng)用中，黏合劑的導(dǎo)熱能力在經(jīng)填充物的改善后依然不夠可觀。目前的黏合劑材料在受熱環(huán)境中也存在易老化的缺點(diǎn)，同時(shí)，雖然黏合劑鍵合溫度較低，但當(dāng)環(huán)境溫度到達(dá)鍵合溫度時(shí)，鍵合將會(huì)失效，影響器件的可靠性。因此未來還需尋找新的黏合劑和新的低溫工藝，達(dá)到導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能更佳的無空洞鍵合并提高鍵合可靠性。（篇幅受限，請(qǐng)移步《晶圓鍵合技術(shù)在LED應(yīng)用中的研究發(fā)展（二）》）