（微电子学与固体电子学专业论文）高性能倒装红光led关键技术研究.pdf

摘要 摘要 半导体晶片键合技术是将不同材料的晶片通过固体接触界面之间的范德瓦 尔斯力或是界面高极性分子层的运动形成具有一定电学性能和一定黏附强度的 晶片对的技术。键合技术可以将晶格失配的不同材料键合在一起，这是半导体外 延工艺所无法实现的。键合后的晶片具有一定的电学性能，结合减薄，化学腐蚀 等其它工艺还可以实现薄膜的层转移，这给器件设计和材料的应用提供了极大的 自由度，使得不同材料和器件之间的集成成为可能。由于晶片键合及相关薄膜转 移技术可以提高光电子器件性能，我们将之引入到倒装红光发光二极管( l i g h t e m i t t i n gd i o d e s ) 的制备中以获得更高性能的发光二极管。 发光二极管因其体积小，寿命长，可靠性高，高亮度，无污染绿色环保等优 点，有望在2 1 世纪完全取代传统光源，成为主要的照明光源。然而相比传统光 源，普通正装红光发光二极管的亮度不具有绝对优势，为进一步提高发光二极管 的亮度，我们可以采用倒装键合的方法。 本文围绕键合技术及红光发光二极管开展研究，获得了平整的键合界面，并 在红光发光二极管表面生长复合增透膜使其亮度进一步提高，为实现高性能倒装 红光发光二极管打下了良好的基础，论文的主要工作如下： 1 ) 对用于l e d 的增透膜进行了理论分析及模拟，进而用p e c v d 和磁控溅 ， 射i t o 制备了高亮度a i g a l n p 红光l e d 的s i o n t 【i 三i t o 复合出光面层。在 4 n2 n 复合d b r 衬底上生长带有复合增透膜的l e d ，器件光学性能提高最佳，在2 0 m a 注入电流下，轴向光强和光通量分别达到1 4 1 7 m c d 和0 4 7 3 3 1 m ，比同样结构的 无增透膜l e d 分别提高了1 3 8 和9 1 ，这样的膜层及外延结构组合可以降低 制备高亮度l e d 所需厚g a p 的成本和m o c v d 外延时间，并且很好地提高了光 学性能。 2 ) 采用光传输矩阵法对不同材料组成o d r 结构的反射率进行了对比，发现 i t o 作为中介层的o d r 结构具有明显优越性，能极大提高光提取效率，并且工艺 简单容易实现。对键合工艺进行了实验研究，采用导电胶法、镀铟法、钛金法等 作为键合金属层的键合方法，通过分析实验中出现的实际问题，对键合方法和工 艺进行优化。得出钛金法的优化工艺条件。 3 ) 采用a n s y s 有限元法对键合界面应力进行了计算，结果表明应力对键合 的影响主要存在于边缘地区，可以通过降低键合温度、改变键合结构的方法降低 摘要 界面应力。 4 ) 通过对表面清洗、预键合、热退火三个工艺具体分析实现了键合条件的 优化。理论分析了金属等温凝固、金属共晶、金属热压，中介层粘接、等离子体 处理表面以及表面沟道腐蚀等键合方法，并在实验中实现了各种键合方法，对不 同键合方法下g a a s 减薄后表面状况进行了对比分析。提出一组优化键合方法， 表面清洗、等离子体激活、在甲醇中预键合。 关键词：键合；倒装红光发光二极管；增透膜 a b s t r a c t a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o rw a f e rb o n d i n gi sat e c h n o l o g yt oc o m b i n ew a f e r so fd i f f e r e n t m a t e r i a l si n t oac o u p l ew i t hc e r t a i ne l e c t r i c a lp r o p e r t ya n da d h e s i v es t r e n g t hb yv a n d e rw a a l sf o r c eo nt h ec o n t a c ti n t e r f a c eo rt h em o t i o no fh i g hp o l a rm o l e c u l a rl a y e r s m a t e r i a l sw i ml a t t i c em i s m a t c hc a nb eb o n d e db yb o n d i n gt e c h n o l o g y , w h i c hc a nn o t b er e a l i z e db ye p i t a x y c e r t a i ne l e c t r i c a lp r o p e r t yc a nb eo b t a i n e db yb o n d i n g ，a n db yt h i n n i n ga n d c h e m i c a lc o r r o s i o nl a y e rt r a n s f e rc a na l s ob er e a l i z e d ，t h a tp r o v i d e sh i g hd e g r e eo f f r e e d o mi nd e s i g n i n gd e v i c ea n d a p p l y i n gm a t e r i a l ，m a k i n gi n t e g r a t i o no f d i f f e r e n t m a t e r i a l sa n dd i v i c e sp o s s i b l e c o n s i d e r i n gt h a tb o n d i n ga n dl a y e rt r a n s f e rc a n i m p r o v ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c e , w eb r i n gt h e mi n t ot h ep r e p a r a t i o nf o rf l i pc h i pr e d l i g h te m i t t i n gd i o d e s ( l e d s ) o fm o r ed e s i r a b l ep e r f o r m a n c e l e dh a sm e r i t so fs m a l ls i z e ，l o n gl i f e s p a n ，h i g hr e l i a b i l i t y , h i g hb r i g h t n e s sa n d n op o l l u t i o n ，a n di se x p e c t e dt od i s p l a c ec o n v e n t i o n a ll i g h ts o u r c e si n2 1s tc e n t u r y c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ll i g h ts o u r c e s ，h o w e v e r , n o r m a ll e d h a sn oa d v a n t a g ei n b r i g h t n e s s t oi m p r o v et h a t ，f l i pb o n d i n gi sa d o p t e d t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nb o n d i n gt e c h n o l o g ya n dr e dl e d s f l a tb o n d i n g i n t e r f a c ei so b t a i n e d ，a n dc o u p l e da n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g sa r eg r o w no nt h es u r f a c eo f r e dl e d st og i v ef u r t h e re l e v a t i o nt ob r i g h t n e s s ，w h i c hl a y sg o o df o u n d a t i o nf o r f a b r i c a t i n gh i g hp e r f o r m a n c el e d s t h em a i nw o r ki n c l u d e s ： 1 ) t h e a n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g ss t r u c t u r ei sa n a l y z e da n ds i m u l a t e d f u r t h e rm o r e ，l i g h t e m i t t i n gl a y e ro f h i g hb r i g h t n e s sa 1 g a i n pr e dl e d i sf a b r i c a t e db yp e c v da n d m a g n e f f o ns p u t t e r i n g t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a t l e d sw i t hc o u p l e d a n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g sg r o w no nc o m p o u n dd b re p i t a x yh a v et h eb e s to p t i c a l p e r f o r m a n c e a t2 0m ai n j e c t i o nc u r r e n t ，t h ev e r t i c a lo u t p u tl i g h ti n t e n s i t y i s 1 4 1 7 m c d ，a n dt h el u m i n o u sf l u xi s0 4 7 3 3 l m ，w h i c ha r er e s p e c t i v e l y13 8 a n d 91 m o r et h a nt h o s ew i t hn oa n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g s t h ep r o p o s e dc o a t i n g sa n d e p i t a x ys t r u c t u r ec a nr e d u c et h ec o s to f n e e d e dg a pa n de p i t a x yt i m eb ym o c v d t of a b r i c a t eh i g hb r i g h t n e s sl e da sw e l la sg r e a t l ye n h a n c et h eo p t i c a l p e r f o r m a n c e 2 ) p r o b l e m sa b o u tn o r m a la 1 g a l n pl e d a r ea n a l y z e da n dt h e o r i e sa b o u ti m p r o v i n g t t t a b s t r a t e 3 ) 4 ) e x t r a c t i o ne f f i c i e n c ya r ei n t r o d u c e d an o v e lf l i pc h i pr e dl e d i sp r o p o s e dt o e n h a n c ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c y t h ek e yp o i n t si nt h ep r o p o s e dt e c h n o l o g y , l i k e e p i t a x ys t r u c t u r e ，o m n id i r e c t i o n a lr e f l e c t o r , b o n d i n ga n d t r a n s f e re p i t a x ya r e h i g h l i g h t e d o d r sr e f l e c f i v i t yo fd i f f e r e n t m a t e r i a l sa l ec o m p a r e du s i n g t r a n s m i s s i o nm a t r i xm e t h o d ，a n di ti sf o u n dt h a ti t oh a sp r i o r i t y 嬲i n t e r l a y e ri n o d r ，t h a tc a r ld e s i r a b l ye n h a n c ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c ya n db ee a s i l yr e a l i z e d a t l a s tb o n d i n gt e c h n o l o g yi se x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d c o m u c t i v ea d h e s i v em e t h o d ， i n d i u mp l a t i n gm e t h o da n dt i - a um e t h o da r eu s e df o rm e t a l l i cb o n d i n g b y a n a l y z i n gp r o b l e m si ne x p e r i m e n t ，b o n d i n gt e c h n o l o g yi so p t i m i z e d s t r e s s e so nb o n d i n gi n t e r f a c ea r ec a l c u l a t e du s i n ga n s y s t h er e s u l ts h o w st h a t s t r e s s e dm a i n l yi n f l u e n c eo ne d g e s ，w h i c hc a nb er e d u c e db yl o w e r i n gt h e b o n d i n gt e m p e r a t u r eo rc h a n g i n gt h eb o n d i n g s t r u c t u r e b ya n a l y z i n gt h et e c h n o l o g yo fs u r f a c ec l e a n i n g ，p r e - b o n d i n ga n dt h e r m a l a n n e a l i n gb o n d i n gc o n d i t i o n sa r eo p t i m i z e d b o n d i n gt e c h n i q u e si n c l u d i n g i s o t h e r m a ls o l i d i f i c a t i o n ，e c t e c t i c ，m e t a l l i ch e a tp r e s s u r i n g ，i n t e r l a y e rc o h e s i o n ， p l a s m ai o ns u r f a c i n ga n d s u r f a c ec h a n n e lc o r r o s i o na r ea n a l y z e d ，a n ds o m eo f t h e ma r er e a l i z e di nt h el a bt oc o m p a r et h es u r f a c ec o n d i t i o n sa f t e rt l l i n n i n gg a a s l a y e r k e yw o r d s ：b o n d i n g ；f l i pc h i pr e dl i g h te m i t t i n gd i o d e s ；a n t i r e f l e c f i o nc o a t i n g s i v 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 签名：。延盔是 日期：兰翌2 ：兰：丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：缝熟 导师签名：云2 霾型日期： 则象3 2 2 第1 章绪论 第1 章绪论 不断优化器件参数和结构获得更好的半导体器件性能是人们追求的目标。器 件优化涉及到多种材料，只有综合他们各自的优良特性才能获得更好性能的器 件。对于晶格匹配的各种材料，可以选择在合适的衬底上通过外延生长( m o c v d 等) 方式长出符合要求的外延结构。但对于晶格失配高、热膨胀系数差异大的半 导体材料，在外延异质结界面将产生高密度的位错和缺陷，从而给器件电学及光 学特性带来严重的不利影响。利用键合技术可以集成晶格或晶向适配的材料，制 造传统外洋生长技术不能制造的结构和器件。键合过程只发生在晶片材料表面， 位错局限于界面，对晶片材料的本身性质和晶体结构的影响很小，因而可以很好 的克服晶格失配给器件设计及材料生长带来的困难。与其他方法制备的异质结界 面相比，晶格失配材料键合界面具有位错密度低，缺陷少，化学、熟和电稳定性 好等特点，并且通过优化键合方法可以获得满足器件设计要求的键合界面。 晶片键合主要有直接键合、阳极键合、黏着键合、低温共晶键合和金属扩散 ( 共熔晶) 键合。直接键合是将两片表面清洁、原子级平整的同质的或异质半导 体材料经表面清洗和活化处理，在一定条件下直接贴合，通过范德华力、分子力 甚至原子力使晶片键合而成为一体的技术。阳极键合的机理是在穿过玻璃和硅片 的界面的电场辅助作用下，离子向界面发生扩散。阳极键合的机理决定了它只能 应用于玻璃和硅片键合。这种技术可以用于表面为多晶硅层或玻璃层的基底。有 一些键合设备也支持三层的叠层键合。黏着键合可以使用很多聚合物材料，包括 b c b 、s u 8 、w l 5 3 0 0 以及大部分常见的光刻胶材料。作为一种特殊应用，临时 键合采用聚合物实现中等结合强度的键合，将晶片键合到支撑基底上，如玻璃或 蓝宝石，以实现对器件晶片背面进行工艺加工。背面加工结束后，通过紫外光， 热分解或溶剂可以解除界面的结合。黏着键合中聚合物或者是在室温下通过旋涂 涂胶或喷涂胶的方法覆在表面，或者直接是一层干的薄膜。黏着键合对于颗粒、 表面厚度偏差和表面粗糙度有好的容忍度，这种键合不是密封的，从而没有高温 收缩性。金属键合属于基于扩散的和共晶的方法。扩散键合在3 9 0 - 4 5 0 。c 的温度 下完成，需要相对较大的压力来实现表面的紧密接触。在金属键合中，必须控制 表面的粗糙度以及晶片的翘曲度。金属合金在键合过程中会熔解并实现界面的平 坦化。液态的界面使共晶键合需要施加相对较小却要一致的压力。在不同的冶金 学系统中，如铜锡，金锡或金硅，共晶合金形成于2 8 0 3 9 0 。c 之间。 北京工业大学 1 1s i 直接键合技术研究简介 1 9 6 9 年，w a l l i s 和p o m m e r a n t z 在外加电场和较高温度的条件下实现硅和钠 玻璃的键合，开辟了现代键合技术先河【l 】。1 9 7 5 年，a n t y p a s 和e d g e c u m b e 2 利 用高温熔融键合的方法实现薄g a a s 层到玻璃衬底上的转移。但早期的键合并未 引起很大影响，直到八十年代中后期，键合技术才被广泛应用于电力电子、传感 器、三维集成电路及特殊功能材料和结构等方面。自从1 9 8 6 年i b m 公司的l a s k y 和东芝个公司的s h i m b o 【3 4 垮人报道了硅片直接键合技术( s i l i c o nd i r e c tb o n d i n g ) 并用于制备s o i 材料以来，人们对晶片键合技术做了大量的研究。迄今为止键 合技术得到了极大的发展。 s i s i 直接键合技术已经得到广泛的应用，在质量和工艺检测和航空航天上都 有着广阔的应用前景。 ( 1 ) 用键合技术形成s o i 材料：到现在为止，s o i 电路的批量生产及大规模 商品化的主要障碍就是制备s o i 材料，导致的总成本过高。将m r u e lm t 5 】提出的 s m a r t c u t 技术和键合技术相结合可得到均匀超薄的s o i 薄膜，也使玻璃的硅片 可以循环利用，不至于造成浪费，降低总成本。2 0 0 1 年，j w l e e 6 】利用线性退 火方法实现了退火温度低于5 0 0 度的s o i 结构的制备，避免了高温对器件的不 良影响。 ( 2 ) 用键合技术形成m e m s 结构和三维器件：用于形成m e m s 结构的键合方 法主要有阳极键合技术和融合键合技术。阳极键合技术在m e m s 中的应用已经 有2 0 多年的历史，可用于集成压力传感器、微传感器和微执行器等。用融合键 合方法能形成一些m e m s 结构，如超微压力传感器、悬臂加速计等，也可以形 成复杂的多层和三维器件，但融合键合法是在高温下进行，限制了它的一些应用。 而低温键合法由于可以减少不同材料的热失配问题，因此应用更加广泛。1 9 9 8 年，荷兰t w e n t e 大学m e s a 研究所用直接键合的方法制备出高纵横比的多层衬 底( s i s i 0 2 p o l y s i s i 0 2 s i ) 1 7 ，该结构表现了良好的机械性能，且与i c 工艺完 全兼容，是典型的三维衬底。 ( 3 ) 用键合技术形成压电、声光器件和其他方面的应用：硅直接键合( s d b ) 技术简单、灵活的优点也使得它在压电、声光器件和一些特别结构的制备中得到 了应用。2 0 0 0 年后人们在硅键合技术基础上制备了t i n i 形状记忆微型泵澍8 1 、 微型高压双元液体推进剂火箭发动机【9 】和微型血抽样、检测和采集系统【1 0 】。 第1 章绪论 1 2r 1 1 v i 族半导体材料的键合研究简介 光电子器件对所需要的材料在性能上有一定的要求，通常都需要有大的带宽 差和在材料的折射率上要有很大的变化。同质外延生长技术一般都不能形成所需 要的带宽差和折射指数差，而用通常的异质外延技术，如在硅片上外延g a a s 和 i n p 等，不仅成本较高，而且结合界面的位错密度也非常高，很难形成高质量的 光电子集成器件。由于低温键合技术可以大大减少不同材料之间的热失配问题， 减少应力和位错，因此能形成高质量的器件。 1 9 8 9 年，l e h m a n n t 】等人在超净间获得键合界面良好的g a a s s i 和i n p s i 键 合对，他们通过在s i 上生长一层s i 0 2 薄膜，然后将g a a s 、i n p 与之贴合进行热 处理，从而获得结合强度较高的键合对。1 9 9 0 年，b e l l 实验室的ey a b o n o v i t c h 【1 2 】 通过键合方法实现了a l x g a l x a s 外延薄膜到s i 、i n p 、g a a s 及蓝宝石等衬底上 的转移。同年，m i t 林肯实验室的z l l i a u t ”】通过表面疏水处理，旋转干燥的方 法在8 3 0 0 ch 2 环境下热处理完成了g a a s 、i n p 、s i 衬底的键合，并对g a a s 、 i n p 的p n 结i v 特性作了研究，发现高温处理引起的杂质扩散导致g a a s g a a s 键合对p n 结从原界面向n 面移动了将近5 0 0 a ，而对于i n p i n p 键合晶片对则移 动了1 0 0 0 a 左右。 1 2 1 键合探测器的研究进展 i i i v 族材料在1 3 1 5 5 微米的近红外光电探测器已经成熟并已实现产业 化，但其价格昂贵、热学机械性能较差，并且不能与现有成熟的硅基工艺兼容。 随着硅基光电子技术的不断发展，特别是硅基光波导、h b t 的性能不断提高， 为制作高性能硅基光电集成接收芯片提供了先决条件，高性能硅基近红外波段 ( 特别是1 5 5 , u r n ) 光电探测器逐渐成为研究的热点。 由于硅材料本身的特点，其响应波长小于1 1 微米。i n p 基i i i v 族材料在 1 3 1 5 5 , u r n 波段具有很高的响应，与i n p 基片晶格匹配的材料有i n g a a s p 、 i n a l g a a s ，其外延技术已经相当成熟。另外，近年来g a a s 基g a l n n a s 、g a a s s b 材料得到迅速发展，响应波长可以延伸到1 5 5 微米。但是由于晶格失配的原因， 在s i 上直接外延上述材料作为探测器吸收层尚不可行。而键合技术的发展使得 人们可以将上述材料直接粘附在s i 基片上作为探测器的吸收区。 1 9 9 5 年，e j e e k a mj 【h 糯i n g a a s i n p 材料键合在s i 基片上成功制作出p i n 一3 一 北京工业大学 结构的硅基1 5 5m 探测器，其外量子效率达8 0 ，暗电流在反向偏压5v 时 仅有o 2 9n a 。在i n p 基片上外延好吸收区和电极层材料，通过b a r ( b o n d i n gb y a t o m i cr e a r r a n g e m e n t ) 键合技术，将之与硅基片键合，然后去除i n p 基片，刻蚀台 面，制作电极。 1 9 9 7 年，加州大掣1 5 】成功制备了2 0 g h z 表现良好的s i i n g a a sp i n 探测器， 内量子效率接近1 0 0 ，反向偏压为4 v 时，暗电流只有1 0 0 p a 。 1 9 9 9 年b e l l 实验室【1 6 】制备的探测器反向偏压为1 0 v 时测得的暗电流为 1 8 0 p a ，对于1 5 5 微米光的绝对内量子效率接近1 0 0 。 1 2 2 键合制备v e s c e l 的研究进展 近红外的长波长面发射激光器( v c s e l ) 由于其动态单模、低阈值特性、便于 耦合和大规模集成等优势在光通讯、光互连上有着重要的应用，g a l n n a s g a a s ， i n a s i n g a a s ，i n g a a s p i n p 及a 1 g a i n a s i n p 等材料系是这个波段常用的有源区 材料其中g a l n n a s g a a s ，i n a s i n g a a s 有源区在材料生长方面仍存在着问题， 而采用传统方法制备连续激射的i n g a a s p i n pv c s e l 的困难在于与有源层材料 晶格匹配的d b r 材料，i n g a a s p i n p ，a 1 g a l n a s i n p ，i n a l g a a s i n a l a s 反射镜由 于折射率差较小，为达到9 9 以上的反射率需要较多对数的d b r ，不仅使得电阻 和光吸收增加，也给材料生长提出了很高的要求。且三元和四元材料热导性较差， 这都会直接导致v c s e l 性能恶化。 采用键合方法可以较好地解决上述问题，通过将折射率差较大、热导性能较好 的g a a s a 1 a sd b r 与i n g a a s p 有源区键合，可以有效地改善激光器的电、热特性， 从而实现低阈值、高温连续工作v c s e l 。1 9 9 2 年，加州大学s a n a t ab a r b a r a t l 7 】 分校咨询与工程系首次通过g a a s i n p 键合的方式实现了单面键合1 3 微米 v c s e l 的制备，该器件能在光泵条件下激射，最高工作温度可达1 4 4 0 c 。加州 大学和c o m e l l 大学等单位都对键合方法制备长波长v c s e l 做了多年的研究， 并于2 0 0 3 年通过双面键合实现1 3 , u r n 大功率的v c s e l ，最高工作温度可达 1 3 4 。c 。此外，日本n t t 【1 8 1 光电实验室、韩国也对键合方法制备1 5 5 , u r n v c s e l 做了研究，并通过单面键合的方式成功制备低阈值电流的电泵浦和光泵浦 v c s e l 。 键合技术也被应用于8 5 0 n m v c s e l 的研究，将g a a s 基v c s e l 结构与透明 衬底或s i 衬底键合，然后通过化学腐蚀去除原始g a a s 衬底，从而实现v c s e l 结构从g a a s 衬底到新衬底的转移，u l m 大学1 9 】和s a n d i a 国家实验室【2 0 3 都对此 做过研究和报道。 一4 一 第1 章绪论 1 2 3 键合制备发光二极管的研究进展 应用晶片键合技术可以集成具有不同光电和机械特性的材料，实现优势互 补，使光电子器件的设计更加自由。近年来，晶片直接键合技术广泛应用于l e d 器件上，制造出新型薄层结构器件，改善器件光电性能，获得更高亮度l e d 。 键合方法应用在红光倒装l e d o s r a m 公司的t h o m a sg e s s m a n n 等人【2 1 2 2 】于2 0 0 3 年提出a 1 g a l n p 全方位 反射镜l e d ，图1 1 是其团队设计的全方位反射镜结构的l e d 示意图，全方位 反射结构利用光介质的折射率低( 1 4 ) 与半导体折射率( 一- - 3 4 ) 差很大，构 成光的全反射界面，进入介质层的光在底部的金属反光镜处可以迸一步将光向上 反射，内部的金属导电孔不足面积的1 ，所以制作完成后这个结构的对光的吸 收率不足1 ，因为介质对光无吸收，而用纯金属镜面做反光镜时金属对光有吸 收。实验的关键是能够做好键合工艺。其设计的此种o d r - l e d 外量子效率可达 1 8 ，在0 0 9m m 2 a 注入电流密度下输出功率可达8 m w 。 r h h o m g 等人【2 3 】将a 1 g a l n pl e d 连接在a u b e 玻璃上得到如图1 1 ( a ) 所示 的结构，称之为高反射面衬底( h i g hr e f l e c t i v em i r r o rs u b s t r a t e ) 。图1 1 ( b ) 是全 方位反射镜结构示意图。后来r h h o r n g 等人【2 4 】又改用5 0 n ms i 做衬底并加上 a u a u b e 镜面与a 1 g a l n p 连接在一起，如图1 2 所示，实验结果表明，9 8 的 l e d 的工作电压在2 0 m a 是小于2 2 v ，而8 5 的l e d 的发光强度在1 3 0 - 1 4 0 m c d ，封装好的l e d 在波长6 2 6 n m 及2 0 m a 时所发出的3 1 m 的光等于发光效 率7 4 1 m w 。 a ) 有多方南反射搴反射螺l e 叫右栩 项髓口屡 捂性屡 晨部窗口 糕部接触 l o w - i n d e xl a y e r 麝部金j l 化 口 i 芏i i 1 ( 曲有多方向高反射率反射镜l e d 结构 伯诠方位反射镜结构示意图 f i g l i ( a ) p e r s p e c t i v ev i e wo f t h e o 舳i d i r e e t i o n a lr e f l e c t o r ( o d r ) 伯) s n c t l l 化o f h i g l l - r c f l c c t i v i t yo m n i d i 他c t i o n a lr e f l e c t o rc o m p o s e do fas e m i c o n d u c t o r 国画喜圈 键合方法应用在蓝光倒装l e d ： o s r a m 公司于2 0 0 3 年公玎发表高效率g a n i n g a n 薄层器件，器件结构如 图1 3 所示：器件由5 微米表面粗化结构g a n 层( 包括多量子阱有源区) ，银反 光镜，转移衬底构成。可以获得芯片尺寸为l m m 2 3 5 0 m a 注入电流下电压32 v ， 电功率i1 2 w ，内量子效率7 5 ，芯片输h 功率5 4 7 m w 。 7 u n 】 8 0 f h n f”。a 。最导。l c a n - e r 图1 - 3 0 s m m 公- 日设计薄膜g a n 器什截面结构图 f i g l - 3 c r o s ss e c t i o no f t h i n f i l m g a nd e v i c ed e s i g n e d b y o s r a mc o m p a n m p h i l i p s 公司的s h c h e k i n 等人2 ”于2 0 0 6 年设计薄层i n g a n g a n 多量 子阱l e d 。这种结构的倒装蓝光l e d 可以获得高亮度和高光输出。设计芯片尺 寸l f m m 2 l e d ( 4 4 1r t m 波长1 在注入电流1 a 下可以获得光辐射功率密度 6 第1 章绪论 1 9 1 m w m m 2 。图1 - 4 是其团队设计的倒装结构的l e d 横截面图和制作器件的显 微镜照片。 i n g a n c , a nt h l m f l 忡f l i p - c h i pl e d 圈1 - 4p h i l i p s 公司设计倒装结构l e d 截面图和俯视显徽镜照片 f i g l - 4 c r o s ss e c t i o na n t i t o p v i e w m i c r o s c o p e p h o | o o f f l i pc h i p l e d d e s i g n e d b y p h i l i p s e o m p e n y 键合方法应用在单芯片白光l e d ： 键合方法实现单芯片白光l e d 是由北京工业大学光电子实验室提出，具有 自主产权的单芯片白光l e d 键合结构示意及等效电路如图1 5 所示：电流流过 红色l e d 有源区发出红色光，然后经隧道结注入载流子实现再生并在下一个有 源区蓝光l e d 有源区再次发出蓝色光。蓝色光和红色光从透明的蓝宝石衬 底取出并混合成为白光。而其中使用了晶片键合的方法将蓝光和红光l e d 结合 在一起，实现了真正的全固态化和一次发光。 图1 - 5 单芯片白光l e d 结构图及其等效电路简圈 f i g l 一5s c h e m a t i c d i a g r a mo f t h e n e w w h i t e l e d i ns i n g l ec h i p 一，一 北京工业大学 1 3 键合技术的发展 直接键合技术虽然有诸多优势，并在近年来得到了极大的应用与发展，但由 于键合温度过高等制约因素影响着其更进一步应用，人们采取了多种方法进行改 进。 1 3 1 沟道刻蚀 界面间残留的任何液体或气体都有可能在退火时由于无处逃逸而导致在键 合界面形成气泡。h o m g 等人通过实验确定对于宽度l o ，z 的腐蚀沟道，间距 3 0 0 吮聊可以获得理想的键合界面【2 9 1 。 1 3 2 等离子体处理晶片表面 等离子体处理晶片表面可以去除碳氢化合物及使晶片表面激活。化学处理后 的处理后样品表面被h ( 疏水处理) 或( 亲水处理) 及其他残留于表面的原子( c h 化 合物) 终结，使晶片表面能量最低，处于稳定态。用等离子体溅蚀后，离子对表 面的机械撞击使晶片表面原来相对不稳定的非桥接原子( h 、0 、c 等原子) 获得能 量离开成键原子，导致原子键打开，形成悬挂键，从而露出新鲜表面。处理后的 表面悬挂键增加，吸附能力增强，在较低的温度下就可以完成键合。如再对表面 进行适当温度的退火，键合界面的原子悬挂键很容易结合，形成相当完善的共价 键网络，从而达到很高的键合强度。该技术相对于普通键合技术大大降低了键合 温度，避免了不同材料之间的热失配问题【3 0 1 。 2 0 0 0 年，德国马普研究所的m w i e g a n d 等人【3 l 】研究了氧等离子体对s i 表面 的影响，室温下贴合4 英寸片子的红外透射图像表明除了边缘处有个别气泡外， 整体键合基本均匀完整。2 0 0 1 年东京大学t a e kr y o n gc h u n g 等人实现了s i i n p 室温下键合【3 2 1 。同时，马普研究所的g k a s t n e r t 3 3 】在超高真空( 5 e 一1 0t o r r ) 下用 氢原子清洗晶片，可实现低于1 5 0 0 c 的键合，他们用此方法制备成功了3 英寸和 4 英寸的g a a s g a a s 键合对，采用同样方法也键合成功了g a a s i n g a a s ， g a a s i n g a p 。同年，瑞典的d o n a t op a s q u a r i e l l o 等人【3 4 】利用氧等离子体轰击i i l p 表面，1 2 5 0 c 退火处理所获得的键合强度和疏水性处理5 0 0 0 c 退火所获得的键合 强度，红外透射图像表面氧等离子体处理后的键合界面基本无气泡和牛顿环，远 好于传统的化学腐蚀的亲水或疏水键合界面。 第1 章绪论 1 3 3 引入中介层 如前所述，直接键合需要原子级平整、洁净的表面，对环境要求很高，且晶 向的对准也会影响界面性质，制备器件还常需要去除表面氧化层以减少键合界面 对电学性质和光学性质的影响。引入中介层( 金属薄膜或聚合物) 可以克服以上缺 点，介质的引入降低了键合对表面和环境的要求。同时机械性能优良的中介薄膜 很容易容纳晶格失配和热应力，也更容易实现低温键合。介质可以为金属、合金、 聚合物或溶胶、s o g 等材料，这些材料一般拥有熔点较低、表面粘附性或延展 性较好的特点，为低温和表面粗糙的情况下成功键合提供最大可能性。 当中介层为金属或者合金时，金属本身具有很好的延展性，可以有效的抑制 热应力的释放。同时，金属良好的热导性能和电导性能可以很好的降低键合器件 的热阻和电阻，有利于器件性能的优化，因此广泛的应用于光电子器件的制备和 光电器件的集成。1 9 9 1 年，y a b l o n o v i t c h 3 5 】首次通过引入金属( p d ) 作为中阶层实 现了低温( 2 0 0 0 c ) 下的g a a s 与同质或异质衬底材料( 可为s i ，g a a s 或玻璃) 的键 合。1 9 9 3 年，贝尔实验室的k w g o o s s e n 3 6 】首次提出合金键合的概念，他采用 g a a s 上沉积a u i n 合金，s i 上沉积砧实现了2 0 0 0 c 下的g a a s s i 键合，并成功 的将g a a s a 1 g a a s 8 5 0 多量子阱调制器键合到硅衬底上，其饱和光功率达到 8 0 k w c m 2 。此后，合金键合得到了极大的发展和应用。r h h o m g 2 3 】等人通过玻 璃上沉积a u b e 合金实现了玻璃衬底与n o ，( g a x a l l 一。) p o ， 结构的键合，从而 制各出高效率高亮度的发光二极管。 l e d 以金属为介质层的键合缺点在于金属层在比较高的温度下就可能向半导体 晶片发生扩散，降低器件的寿命。同时金属键合界面对光有较大的吸收，因而限 制了该技术的应用。 1 4 键合技术的应用热点 近几年来，利用键合技术已研制成功一般外延生长技术无法实现的新型光电 子器件，例如，硅基i n g a a s g a a s 应变量子阱激光器、硅基1 3 和1 5 5 p m 波长 i n g a a s p i n p 双异质结量子阱激光器高性能垂直腔面发射激光器、i n g a a s s i 雪 崩光电二极管、高量子效率低暗电流光探测器。利用键合技术可以把一衬底上外 延生长的器件结构层转移到另一个更为适合的衬底上实现所谓的“层迁移 ，从 而大大提高原器件的性能并且提高光电子器件设计和制作的灵活性。利用键合与 智能剥离( s m a r t 2 c u t ) 制作s o i 器件的技术已经趋于成熟并且实现了商品化。键 北京工业大学 合在微加工技术中也有着重要的应用，利用键合技术在光波波段研制成三维光子 晶体。纵观近几年的文献，可以发现键合技术的应用有以下几个热点： 1 4 1g a n 材料键合 g a n 不仅具有很稳定的物理和化学性质，而且具有高热导、高电子饱和速度、 耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性。它们是目前制备蓝光到紫外 光波段的发光二极管、激光器的首选材料，同时在高温微电子器件方面也具有广 阔的应用前景。g a n 材料一般是生长在蓝宝石( 纤锌矿结构) 或g a a s ( 闪锌矿结 构) 衬底上。把