0  引言

發(fā)光二極管（light-emitting diode,，LED）照明是利用半導體的電致發(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90年代，人們對LED的研究進展緩慢,，期間使用GaAs和InP等第二代半導體材料為光源的LED僅應用在光電探測及顯示領域,。直到20世紀90年代中期，日本的中村修二發(fā)明了世界上DI一只超高亮度的GaN基LED,，照明領域的大門才向LED打開,。GaN作為繼第一代半導體材料Si，Ge和第二代半導體材料GaAs,，InP等之后的第三代半導體材料,，因其出色的光電性能獲得了KONG QIAN關(guān)注和研究熱度。GaN是一種寬禁帶（3.4eV）直接帶隙半導體,，其三元化合物InxGa1－xN的禁帶寬度可在0.7～3.4eV間變化,，相應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體材料,，得到了廣泛的研究,，高亮度GaN基LED如今已被廣泛應用到照明、手機及全色顯示設備等諸多領域之中,。

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%和13.8%,。由于SiC襯底的成本較高，Si與GaN晶格失配嚴重,，使得藍寶石成為性價比高的襯底材料,。但藍寶石襯底不導電，導熱性能也很差,，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,，且芯片工作時電流水平分布,，易造成電流擁擠，會降低器件的發(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，當芯片結(jié)溫超過80℃時,，LED的發(fā)光強度將出現(xiàn)大衰減,，同時會降低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)移到具有良好導電,、導熱性能的襯底上。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,。垂直結(jié)構(gòu)LED散熱性能強,，且異側(cè)的電極結(jié)構(gòu)能有效避免電流擁擠，成為各類應用的更佳選擇,。晶圓鍵合技術(shù)是制備垂直LED芯片的關(guān)鍵工藝,，其*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應用也因此得到了各方面拓展,，如柔性襯底LED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

黏合劑晶圓鍵合是一種重要的鍵合技術(shù),，即將有機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、引入應力小,、鍵合溫度（tB）低,、對表面形貌要求低及鍵合強度高等優(yōu)點，被廣泛應用于先進微電子制造領域,。

傳統(tǒng)黏合劑一般是由有機介質(zhì),、溶劑、助劑及填充劑物組成,，固化溫度大多為150℃左右,。常用的有機介質(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)氧樹脂能提供更強的黏附力,，而硅樹脂能提供更高的熱穩(wěn)定性。溶劑的沸點應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熱和導電性能,，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在晶圓對的一個或兩個表面均勻旋涂黏合劑，黏合劑厚度應能夠補償晶圓表面的顆?；蛉毕?；③預固化黏合劑；④將晶圓對對正貼合并置于真空腔室,，在一定壓強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,。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,。根據(jù)不同黏合劑和具體應用，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電,，有時會對黏合劑圖形化處理。W．C．Peng等人在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度滿足后續(xù)LLO工藝要求,。以耐高溫的有機膜為鍵合層,，能避免LED反射層金屬在高溫下與鍵合層反應，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

實現(xiàn)黏合劑導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熱性能優(yōu)異,，其熱傳導率可以達到120W/（m·K），更有利于器件散熱,。H．Y．Kuo等人在柔性不銹鋼襯底表面旋涂厚度為20μm的彈性導電黏合劑（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）及光輸出強度－電流－電壓（L-I-V）特性在器件受到外力折彎時僅發(fā)生微弱變化,，幾乎可以忽略不計，表明ECA在器件受到外力時有良好的緩沖性能,。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等人使用WINNOVA公司生產(chǎn)的導電黏合劑和導電柔性襯底（結(jié)構(gòu)示意圖見圖3）在室溫下制備了性能更加*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,，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時便出現(xiàn)衰減。

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

實際上,，由于有機黏合劑模量低,，使用有機黏合劑鍵合將引入很少的應力，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用中,，黏合劑的導熱能力在經(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,，同時，雖然黏合劑鍵合溫度較低,，但當環(huán)境溫度到達鍵合溫度時,，鍵合將會失效，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,，達到導電、導熱性能更佳的無空洞鍵合并提高鍵合可靠性,。(未完待續(xù)）