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晶圆键合机技术在LED中的发展现状

发表时间:2022-12-19  |  点击率:204
  发光二极管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第一只超高亮度的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。晶圆键合机(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。
 

 

  晶圆键合机技术在LED中的发展现状:
 
  晶圆键合机(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。
 
  晶圆键合机的一般步骤为:
  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。
 
  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。
 
  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生产的导电黏合剂和导电柔性衬底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。
  
  实际上,由于有机黏合剂模量低,使用晶圆键合机(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,虽然晶圆键合机温度较低,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。