晶圆键合技术在LED应用中的研究进展（一）

0 引言

发光二极管（light-emitting diode，LED）照明是利用半导体的电致发光发展而来的固态照明技术。自1907年第一只发光二极管问世，到20世纪90年代，人们对LED的研究进展缓慢，期间使用GaAs和InP等第二代半导体材料为光源的LED仅应用在光电探测及显示领域。直到20世纪90年代中期，日本的中村修二发明了世界上DI一只超高亮度的GaN基LED，照明领域的大门才向LED打开。GaN作为继第一代半导体材料Si，Ge和第二代半导体材料GaAs，InP等之后的第三代半导体材料，因其出色的光电性能获得了KONG QIAN关注和研究热度。GaN是一种宽禁带（3.4eV）直接带隙半导体，其三元化合物InxGa1－xN的禁带宽度可在0.7～3.4eV间变化，相应的光谱波长可覆盖从紫外（波长365nm）到近红外（波长1770nm）部分，因此GaN成为光电器件中最重要的半导体材料，得到了广泛的研究，高亮度GaN基LED如今已被广泛应用到照明、手机及全色显示设备等诸多领域之中。

目前，GaN基LED主要采用在异质衬底上外延生长工艺，其常见的衬底材料有SiC，Si和蓝宝石，而它们与GaN间都存在晶格失配的问题，失配率分别为3.36%，16.9%和13.8%。由于SiC衬底的成本较高，Si与GaN晶格失配严重，使得蓝宝石成为性价比高的衬底材料。但蓝宝石衬底不导电，导热性能也很差，使传统正、倒装LED的p电极和n电极只能位于蓝宝石衬底的同一侧。这种结构需要牺牲器件部分发光区来刻蚀出n电极，且芯片工作时电流水平分布，易造成电流拥挤，会降低器件的发光效率并引发可靠性问题。随着LED朝着大功率方向发展，芯片结温越来越高，当芯片结温超过80℃时，LED的发光强度将出现大衰减，同时会降低LED的使用寿命。因此，传统的水平结构LED散热不良成为限制其发展的主要原因。为解决以上问题，则需要将GaN外延层转移到具有良好导电、导热性能的衬底上。如，将Cu、Si等作为受体衬底与GaN外延层键合，再使用激光剥离（LLO）技术移除蓝宝石衬底，这样便能将p，n电极分别沉积到衬底的两侧，将这种结构的LED称为垂直结构LED。垂直结构LED散热性能强，且异侧的电极结构能有效避免电流拥挤，成为各类应用的更佳选择。晶圆键合技术是制备垂直LED芯片的关键工艺，其优越性体现在能给受体衬底更多的选择性且工艺过程简单，LED应用也因此得到了各方面拓展，如柔性衬底LED和微LED等。晶圆键合技术可分为有中间介质层键合和无中间介质层键合，其中常见的粘合剂键合和金属键合属于有中间介质层键合，直接键合属于无介质层键合。

1 晶圆键合技术在LED中的发展现状

1.1 黏合剂键合

黏合剂晶圆键合是一种重要的键合技术，即将有机黏合剂置于两晶圆表面之间，后经固化处理形成具有一定键合强度的中间层，从而使两晶圆紧密贴合。该方法具有工艺简单、成本低、引入应力小、键合温度（tB）低、对表面形貌要求低及键合强度高等优点，被广泛应用于先进微电子制造领域。

传统黏合剂一般是由有机介质、溶剂、助剂及填充剂物组成，固化温度大多为150℃左右。常用的有机介质有环氧树脂、硅树脂、丙烯酸树脂及聚酰亚胺等，其中环氧树脂能提供更强的黏附力，而硅树脂能提供更高的热稳定性。溶剂的沸点应高于黏合剂的固化温度，避免在固化过程中产生气泡。助剂的作用是提升黏合剂的性能，如黏附力和黏性等。填充物能改善黏合剂的导热和导电性能，常用的填充物有石墨、陶瓷及金属微粒等。

黏合剂晶圆键合的一般步骤为：①清洗和干燥待键合晶圆的表面；②在晶圆对的一个或两个表面均匀旋涂黏合剂，黏合剂厚度应能够补偿晶圆表面的颗粒或缺陷；③预固化黏合剂；④将晶圆对对正贴合并置于真空腔室，在一定压强和特定温度下固化黏合剂；⑤吹扫腔室，冷却以及释放键合压强。图1为使用环氧树脂黏合剂键合GaN和Si的截面SEM检测图像。根据不同黏合剂和具体应用，可以增加一些其他合适的工艺步骤，如在垂直LED的制备中需要使黏合剂层导电，有时会对黏合剂图形化处理。W．C．Peng等人在Si衬底上旋涂多环芳香烃作为黏合剂，并在黏合剂中填充金属接线柱使键合层导电，与GaN基LED外延片在200℃、恒压（1MPa）条件下键合60min，之后使用LLO技术剥离蓝宝石衬底，在剥离过程中没有引发GaN的脱落和破裂，表明该法得到的键合强度满足后续LLO工艺要求。以耐高温的有机膜为键合层，能避免LED反射层金属在高温下与键合层反应，有利于提高LED的光提取效率。最终制备出的垂直LED芯片（如图2所示）在20mA电流下的光输出功率比传统蓝宝石衬底LED高出20%，其正常工作电流也由180mA提升至280mA。

图1 使用环氧树脂的GaN/Si键合界面截面图

图2 键合层带有金属接线柱的垂直LED结构示意图

实现黏合剂导电更有效的方法是在黏合剂中填充金属微粒，基于金属填充的黏合剂导热性能优异，其热传导率可以达到120W/（m·K），更有利于器件散热。H．Y．Kuo等人在柔性不锈钢衬底表面旋涂厚度为20μm的弹性导电黏合剂（elas-ticconductiveadhesive，ECA），在180℃下持续15s，完成与GaN基LED的键合。ECA是由环氧树脂和Ni包被的微球共同组成的，玻璃化温度为130℃。通过使用ECA键合技术结合LLO技术所制备的GaN基柔性垂直LED（flexibleverticalLED，FVLED）显示出了优良的性能:主波长－电流（λd-I）及光输出强度－电流－电压（L-I-V）特性在器件受到外力折弯时仅发生微弱变化，几乎可以忽略不计，表明ECA在器件受到外力时有良好的缓冲性能。面积为600μm×600μm的FVLED芯片与传统LED芯片相比，120mA电流下光输出强度（功率）提升216%（80%），正向电压由3.51V降低到3.3V。

最近，W.S.Choi等人使用WINNOVA公司生产的导电黏合剂和导电柔性衬底（结构示意图见图3）在室温下制备了性能更加优越的FVLED，所用衬底是由Ni包被的碳纤维织物。该FVLED与传统的聚酰亚胺衬底FVLED相比，光输出功率稳定性得到显著提升，且注入电流在950mA以内时，光输出功率随注入电流的增加呈线性增长趋势，而后者的光输出功率在注入电流大于200mA时便出现衰减。

图3 WINNOVA公司生产的导电黏合剂和衬底结构示意图

实际上，由于有机黏合剂模量低，使用有机黏合剂键合将引入很少的应力，在制备柔性衬底LED上有很大优势。但在非柔性衬底器件的应用中，黏合剂的导热能力在经填充物的改善后依然不够可观。目前的黏合剂材料在受热环境中也存在易老化的缺点，同时，虽然黏合剂键合温度较低，但当环境温度到达键合温度时，键合将会失效，影响器件的可靠性。因此未来还需寻找新的黏合剂和新的低温工艺，达到导电、导热性能更佳的无空洞键合并提高键合可靠性。(未完待续）