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【6h】

GaN基LED芯片金属晶圆键合工艺研究

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摘要

引言

1 晶圆键合

1.1 键合概述

1.2 键合条件

1.3 前期准备工作

1.3.1 表面活化处理

1.3.2 预键合

1.3.3 热处理

1.4 键合的种类及应用

1.4.1 直接键合

1.4.2 阳极键合

1.4.3 金属键合

1.4.4 低温键合

2 实验设备及表征

2.1 实验仪器简介

2.1.1 仪器配置图

2.1.2 键合机特征与主要参数

2.1.3 操作步骤

2.1.4 具体操作流程

2.2 表征手段

2.2.1 超声扫描显微镜(SAM)

2.2.2 弯曲度(Bow)和翘曲度(Warp)

2.2.3 光致发光光谱(PL)

3 键合温度、压力及衬底材料对金属键合的研究

3.1 实验

3.2 结果与分析

3.2.1 键合的有效面积

3.2.2 翘曲度

3.3 本章小结

4 降温过程中温度和压力的变化率对金属键合的研究

4.1 实验

4.2 结果与讨论

4.2.1 温度变化率的影响

4.2.2 压力变化率的影响

4.2.3 温度和键合压力同时变化的影响

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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摘要

高效、大功率氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)是目前固态照明领域的研究焦点。对于GaN基LED来说,同质外延十分困难,所以通常采用异质外延生长GaN薄膜。虽然以蓝宝石(Al2O3)衬底材料作为异质外延生长GaN基LED工艺已经成熟并产业化,但其与GaN之间较大的品格失配(~13.4%)和热膨胀的差异(~25.5%),导致外延GaN薄膜的缺陷密度很大,严重影响LED性能,不易于实现高效、大功率LED。硅(Si)衬底材料具有优异的导热和导电性,是高效、大功率LED理想的衬底材料,但Si和GaN之间晶格失配(~16.9%)和热失配(~54%)更大,导致薄膜开裂。所以在Si衬底上生长高质量的GaN外延薄膜难度更高。利用金属晶圆键合工艺,可以将Al2O3衬底上外延好的GaN外延层转移到导电导热性好的Si衬底上,突破高效、大功率GaN基LED制备工艺的瓶颈。
  本文首先概述了晶圆键合的分类及应用,阐述了键合的预处理工艺;随后详尽地介绍了Tbon-100型晶圆键合机的结构和功能,阐述了键合后样品的表征手段,如超声扫描、翘曲度、弯曲度和光致发光光谱(PL);以金(Au)为键合层,利用Tbon-100型晶圆键合机研究了不同衬底(分别为Al2O3、Si及钨铜(WCu)合金)、键合温度、键合压力等因素对于键合样品的有效键合面积、翘曲度和光致发光光谱的影响;重点研究了在降温过程中,键合温度和压力的变化率对样品性能的影响。实验结果表明,键合温度是影响有效键合面积和弯曲主要因素;在相同键合温度和压力条件下,WCu材料作为转移衬底键合后的翘曲度相对最小;当温度和键合压力的变化率任一变快或同时变快,都会使样品的弯曲增大;键合前后样品的PL谱线发生红移,证明了键合过程中引入了压应力。上述研究结果可为后期大功率芯片衬底转移工艺提供了实验基础。

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