0  引言

       發光二極管(light-emittingdiode，LED)照明是利用半導體的電致發光發展而來的固態照明技術。自1907年第一只發光二極管問世，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，日本的中村修二發明了世界上第一只超高亮度的GaN基LED［1］，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空前關注和研究熱度。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［2］，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%［3］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。這種結構需要犧牲器件部分發光區來刻蝕出n電極，且芯片工作時電流水平分布，易造成電流擁擠，會降低器件的發光效率并引發可靠性問題。隨著LED朝著大功率方向發展，芯片結溫越來越高，當芯片結溫超過80℃時，LED的發光強度將出現大衰減，同時會降低LED的使用壽命。因此，傳統的水平結構LED散熱不良成為限制其發展的主要原因。為解決以上問題，則需要將GaN外延層轉移到具有良好導電、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，將這種結構的LED稱為垂直結構LED［4］。垂直結構LED散熱性能強，且異側的電極結構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（晶圓鍵合機）是制備垂直LED芯片的關鍵工藝，其優越性體現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［5］和微LED等。晶圓鍵合技術可分為有中間介質層鍵合和無中間介質層鍵合，其中常見的粘合劑鍵合和金屬鍵合屬于有中間介質層鍵合，直接鍵合屬于無介質層鍵合。

1  晶圓鍵合技術在LED中的發展現狀

1.1 黏合劑鍵合

       黏合劑晶圓鍵合（晶圓鍵合機）是一種重要的鍵合技術，即將有機黏合劑置于兩晶圓表面之間，后經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點，被廣泛應用于先進微電子制造領域。

       傳統黏合劑［7］一般是由有機介質、溶劑、助劑及填充劑物組成，固化溫度大多為150℃左右［8］。常用的有機介質有環氧樹脂、硅樹脂、丙烯酸樹脂及聚酰亞胺等，其中環氧樹脂能提供更強的黏附力，而硅樹脂能提供更高的熱穩定性。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粒或缺陷;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為使用環氧樹脂黏合劑鍵合GaN和Si的截面SEM檢測圖像［9］。根據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［10］在Si襯底上旋涂多環芳香烴作為黏合劑，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技術剝離藍寶石襯底，在剝離過程中沒有引發GaN的脫落和破裂，表明該法得到的鍵合強度滿足后續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結構示意圖

       實現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［11］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15s，完成與GaN基LED的鍵合。ECA是由環氧樹脂和Ni包被的微球共同組成的，玻璃化溫度為130℃。通過使用ECA鍵合技術結合LLO技術所制備的GaN基柔性垂直LED(flexibleverticalLED，FVLED)顯示出了優良的性能: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［12］使用WINNOVA公司生產的導電黏合劑和導電柔性襯底(結構示意圖見圖3)在室溫下制備了性能更加優越的FVLED，所用襯底是由Ni包被的碳纖維織物。該FVLED與傳統的聚酰亞胺襯底FVLED相比，光輸出功率穩定性得到顯著提升，且注入電流在950mA以內時，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時便出現衰減。

圖3  WINNOVA公司生產的導電黏合劑和襯底結構示意圖

       實際上，由于有機黏合劑模量低，使用有機黏合劑鍵合（晶圓鍵合機）將引入很少的應力，在制備柔性襯底LED上有很大優勢。但在非柔性襯底器件的應用中，黏合劑的導熱能力在經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。（篇幅受限，請移步《晶圓鍵合技術在LED應用中的研究發展（二）》）